Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
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UNIVERSITE D’ABOMEY-CALAVI
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ECOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY-CALAVI
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DEPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE ET ENERGETIQUE
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OPTION : PRODUCTIQUE
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MEMOIRE DE FIN DE CYCLE POUR L’OBTENTION DU DIPLÔME D’INGENIEUR DE CONCEPTION
(Sixième promotion)
Thème :
CONCEPTION ET REALISATION D’UNE MACHINE D’ESSAIS DE TRACTION, COMPRESSION ET FLEXION
Présenté et soutenu par : AKOLE Jean
Encadreur & Superviseur :
Dr. Akanho Chakirou TOUKOUROU
Maître assistant des Universités, Enseignant Chercheur à l’EPAC/UAC
Année académique 2012-2013
Co-encadreur : Dr. Alphonse QUENUM
Enseignant à l’EPAC
« L a conception mon garçon, ce travail cérébral fondamental, est ce qui fait la différence dans tout art. »
Dante Gabriel Rosetti (1828-1882)
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception i DEDICACE
Je dédie ce travail
A mon feu père, AKOLE James qui a été pour moi l’exemple le plus vivant de la détermination sur le chemin de la construction de soi. Que son âme repose en paix.
A ma mère SOWADAN Agnès, pour la tendresse dont elle m’entoure, son amour, sa rigueur, sa combativité et pour toute privation consentie à mon éducation. Que ce travail soit le fruit de tes peines.
A mes frères et sœurs, pour leurs affections et leurs soutiens.
REMERCIEMENTS
Toute notre vie est remerciement et gratitude perpétuels d’abord à l’Eternel qui est le début, la raison et la fin de toute chose.
Mes remerciements vont à l’endroit de mon maître de mémoire Dr. Akanho Chakirou TOUKOUROU, coordonnateur du Pôle Technologique de Promotion des Matériaux locaux (POTEMAT) qui m’a prodigué un enseignement toujours judicieux et rigoureux durant toutes les phases du mémoire. Qu’il trouve ici l’expression de ma sincère gratitude.
Je tiens également à adresser mes vifs remerciements au Dr. Alphonse QUENUM, qui a accepté ma demande de stage et la réalisation de la machine dans son atelier de fabrication mécanique CCMUF. Sa disponibilité et son assistance ont été très utiles pour nous.
Une note particulière à tous les enseignants de l’EPAC et spécialement ceux du département de Génie Mécanique et Energétique (GME), qui n’ont ménagé aucun effort pour donner le savoir auquel je m’accroche aujourd’hui, pour faire valoir ma formation d’une part et pour leurs apports incontestables et inestimables d’autre part.
Je remercie tous les techniciens de l’atelier de CCMUF pour leurs collaborations et leurs soutiens de diverses natures.
Mes remerciements vont aussi à tous ceux qui m’ont soutenu moralement ou matériellement.
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception iii RESUME
Le présent mémoire est consacré à la conception et à la réalisation d’une machine d’essais sur des matériaux, d’une capacité de 100 kN, simple et à espace de travail réglable en hauteur. Suivant les accessoires utilisés, la machine permet de réaliser des essais de traction, de compression ou de flexion. Le système d’application des efforts est composé d’un groupe hydraulique et d’un vérin à double effet. Ce système comporte un manomètre permettant de mesurer la pression d’huile et de calculer par la suite l’effort. Les déformations des éprouvettes sont mesurées à l’aide d’un comparateur.
Ce dispositif est élaboré pour équiper le laboratoire de POTEMAT (Pôle Technologique de Promotion des Matériaux locaux), afin de faciliter ses recherches sur les matériaux locaux de construction.
L’utilité de cette machine réside dans le fait que pour la conception ou la fabrication d’un nouveau produit, il est bien souvent nécessaire d’en contrôler les caractéristiques mécaniques : sa résistance à la rupture, sa réponse à une sollicitation statique, sa caractéristique d’élasticité, ou encore sa limite en compression et en flexion.
Mots clés : Conception, réalisation, machine d’essais, hydraulique.
ABSTRACT
The present memory is devoted to the conception and the realization of a machine of tests on materials, with a 100 kN of capacity, simple and with adjustable work space in height. Following the used accessories, the machine permits to achieve tests of traction, compression or bending. The system of application of the efforts is composed of a hydraulic group and a jack of double effect. This system includes a manometer permitting to measure the oil pressure and to calculate the effort thereafter. The deformations of specimen are measured with a comparator.
This device is elaborated to equip the laboratory of POTEMAT (Technological Pole of Promotion of the local Materials), in order to facilitate its research on the local materials of construction.
The importance of this machine resides in the fact that for the conception or the manufacture of a new product, it is well often necessary to control the mechanical features of it: its resistance to the rupture, its answer to a static solicitation, its feature of springiness, or its limit in compression and in bending.
Key words: Conception, realization, machine of tests, hydraulics.
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception v SOMMAIRE
DEDICACE ... i
REMERCIEMENTS ... ii
RESUME ... iii
ABSTRACT ... iv
SOMMAIRE ... v
LISTE DES SIGLES ET ABREVIATIONS ... vii
LISTE DES TABLEAUX ... viii
LISTE DES FIGURES ... ix
INTRODUCTION GENERALE ... 1
1- Contexte et justification ... 2
2- Cahier de charges ... 3
I- ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE ... 4
1.1- Histoire des essais mécaniques ... 5
1.2- Essais de traction, compression et flexion ... 6
1.3- Les machines d’essais de traction, compression et flexion... 17
1.4- Exemples de machine ... 29
II- ETUDE TECHNIQUE DE LA MACHINE D’ESSAIS ... 31
2.1- Schéma de principe de la machine ... 32
2.2- Système d’application des efforts ... 33
2.3- La structure du bâti ... 38
2.4- Représentation structurale de la machine et fonctionnement... 42
2.5- Etude des assemblages et des matériaux ... 46
III- DIMENSIONNEMENT ... 50
3.1- Introduction ... 51
3.2- Dimensionnement du circuit hydraulique ... 51
3.3- Dimensionnement de la partie mécanique ... 65
IV- EXECUTION GRAPHIQUE ... 82
V- ETUDE DE LA FABRICATION ... 100
5.1- Construction du bâti ... 101
5.2- Usinage ... 105
VI- MONTAGE, ENTRETIEN ET ESTIMATION DU COÛT DE LA MACHINE ... 112
6.1- Montage de la machine... 113
6.2- Caractéristiques de la machine ... 113
6.3- Entretien de la machine ... 114
6.4- Estimation du coût de la machine ... 114
6.5- Possibilité de la réalisation de la machine au CCMUF ... 116
CONCLUSION GENERALE ... 118
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ... 119
ANNEXES ... 120
TABLE DES MATIERES ... 122
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception vii LISTE DES SIGLES ET ABREVIATIONS
AFNOR : Association Française de Normalisation
CCMUF : Centre de Conception Mécanique, d’Usinage et de Forge EPAC : Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi
LVDT: Linear Variable Differential Transfromer
POTEMAT : Pôle Technologique de Promotion des Matériaux locaux UPN : Fer U normal européen
A.N : Application Numérique
A FNOR : Association Française de Normalisation TG : Tolérance Générale
SAE : Society of Automotive Engine NF : Norme Française
p : page
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 6.1 : Récapitulatif des coûts des matières premières ... 115 Tableau 6.2 : Récapitulatif des coûts des pièces standard et accessoires ... 115
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception ix LISTE DES FIGURES
Figure 1.1: Eprouvette soumise à une traction simple ... 7
Figure 1.2 : Répartition des contraintes en traction ... 7
Figure 1.3 : Déformations en traction ... 8
Figure 1.4 : Poutre en compression... 8
Figure 1.5 : Répartition des contraintes en compression ... 9
Figure 1.6 : Poutre sollicitée en flexion ... 9
Figure 1.8 : Contraintes en flexion ... 10
Figure 1.7 : Déformations en flexion ... 10
Figure 1.9 : Forme et dimensions de la partie calibrée des éprouvettes de traction ... 14
Figure 1.10 : Courbe usuelle de la déformation pour un essai de traction d’acier doux ... 15
Figure 1.11: Exemple de dispositif de traction d’un centre des Matériaux [6] .. 17
Figure 1.12 : Exemples de mors pour essai de traction ... 18
Figure 1.13 : Exemples de plateaux de compression ... 19
Figure 1.14 : Exemples d’appuis pour essais de flexion... 19
Figure 1.15: Image de droite : schéma de principe du fonctionnement d’une jauge de déformation. Image de gauche : jauge collée sur une éprouvette. [3] .. 22
Figure 1.16: Extensomètres diamétral et longitudinal à pinces sur une éprouvette de traction [3] ... 23
Figure 1.17 : Différents types de cellule de charge [3] ... 25
Figure 1.18: Vue d’un groupe hydraulique ... 26
Figure 1.19: Machine d’essai électromécanique : schéma de principe [2] ... 27
Figure 1.20 : Machine hydraulique asservie : schéma de principe [2] ... 28
Figure 2.1 : Schéma de principe de la machine ... 32
Figure 2.2: Circuit hydraulique... 34
Figure 2.3 : Proposition de la configuration géométrique du groupe hydraulique ... 37
Figure 2.4 : Colonnes en fer rond [7] ... 38
Figure 2.5 : Colonnes en profilé carré... 39
Figure 2.6 : Concept de la traverse ... 39
Figure 2.7 : Concept de design de la base avec les appuis de flexion ... 40
Figure 2.8 : Concept de design de la base avec les plateaux de compression .... 41
Figure 2.9 : Concept de design de la base avec les mors de traction ... 41
Figure 2.10 : Concept de positionnement du comparateur ... 42
Figure 2.11 : Concept de la structure de la machine ... 43
Figure 2.12 : Exemple d’ajustements ... 47
Figure 2.13 : Cotation fonctionnelle : assemblage adaptateur-mors ... 48
Figure 3.1 : Vérin à double effet [9] ... 53
Figure 3.2 : Quelques contraintes dimensionnelles de la machine ... 65
Figure 3.3 : Phénomène de matage ... 67
Figure 3.4 : Diagramme des efforts tranchants et des moments fléchissants ... 69
Figure 3.5 : Montage mors-tige de vérin ... 73
Figure 3.6 : Les contraintes dans un cordon d’angle [16] ... 77
Figure 3.7 : Concept des cordons de soudure d’assemblage colonne-base ... 78
Figure 3.8 : Constitution d’un câble ... 81
Figure 5.1 : Tranche de profilé UPN de la colonne ... 101
Figure 5.2 : Tranches de profilé UPN de la traverse ... 103
Figure 5.3 : Tranches de profilé UPN de la base ... 104
.
INTRODUCTION GENERALE
1- Contexte et justification
En laboratoire de recherche ou en production, les machines d’essais mécaniques sont souvent incontournables. Destinées à une très large variété d’applications, elles permettent aussi bien d’évaluer le comportement d’un nouveau matériau lorsqu’il est soumis à une sollicitation mécanique, que de contrôler la résistance à la rupture d’un produit fini. [1]
Le Pôle Technologique de Promotion des Matériaux locaux (POTEMAT) qui a initié ce projet est une structure de l’EPAC (Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi) coordonnée par le Docteur Akanho Chakirou TOUKOUROU. C’est une structure de recherche, de formation et de diffusion qui s’investit dans la recherche et la promotion des matériaux locaux de construction. Ses actions portent sur la recherche et le développement des ressources locales (argile, sable, ciment, gravier, terre latéritique, pierre, bois, etc.), ainsi que sur la production des matériaux de construction (carreaux, tuiles, blocs en terre stabilisée…etc).
Pour déterminer les caractéristiques de ces matériaux, le POTEMAT doit procéder à des essais mécaniques en utilisant des machines d’essais. C’est pourquoi, à l’instar d’autres projets qui ont abouti à la production de matériels didactiques et dispositifs de caractérisation des matériaux, celui-ci permettra à POTEMAT de se doter d’une machine d’essais de traction, compression et flexion d’une capacité de 100 kN. Avec cette capacité, on aurait la possibilité de tester des composites rigides, le béton, des blocs en terre comprimée, etc.
Ce projet s’inscrit aussi dans le cadre de la politique des enseignants visant équiper les laboratoires universitaires de matériels et dispositifs d’essais. Il transparaît donc que ce projet revêt une importance capitale, en ce sens qu’il renforcera la communauté universitaire dans la recherche en matière de matériaux locaux.
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception 3 2- Cahier de charges
Le cahier des charges détermine les caractéristiques et les performances du matériel à mettre au point. Suivant les objectifs visés, la conception doit respecter certaines contraintes définies par le POTEMAT :
la machine doit avoir une capacité de 100 kN avec une précision de 1/100e ;
les accessoires de la machines doivent permettre d’effectuer des essais de traction, compression et flexion sur des blocs de briques ;
la conception doit être simple, avec un encombrement minimum et un facteur de sécurité élevé ;
la conception doit tenir compte de la disponibilité en matériaux et en matériels de fabrication en vue de sa réalisation sur place.
Le document est structuré en cinq points :
étude bibliographie des essais de traction, compression et flexion en vue de connaître les principes et les dispositifs utilisés ;
conception et dimensionnement ;
étude de la fabrication ;
évaluation du coût du dispositif ;
réalisation pratique et expérimentation.
I- ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception 5 1.1- Histoire des essais mécaniques
Notons que tout le texte de l’histoire est tiré dans [4] sans modifications.
L’histoire des essais mécaniques se confond avec l’histoire de la résistance des matériaux. On peut penser que les premiers essais mécaniques ont été destinés à tester les matériaux en vue de la construction et ce dans un but de bonne adaptation du matériau, dans le cadre de la mécanique de rupture: le matériau doit être suffisamment solide pour l’usage.
Dans la période de la renaissance, les premiers travaux écrits peuvent être attribués à Léonard de Vinci (1452-1519) pour une machine décrite et dessinée et qui servait pour une ̎ Expérience de la force capable d’agir sur la longueur d’un fil de fer ̎, mais on estime que c’est Galilée (1564-1641) qui est le premier à vraiment théoriser avec son livre ̎ Discorsi e dimostrazioni mathematiche ̎ sur la tension et la flexion des poutres. Ensuite, on voit une évolution dans la science des matériaux avec Robert Hooke (1635-1703) avec la théorie sur l’élasticité.
L’époque moderne est marquée par le début de la théorisation. Réaumur (1683-1757) dans ses travaux sur la métallurgie teste, par traction, le fil métallique, alors que Pieter van Musschenbroek (1692-1761) construit une machine pour tester la résistance de barres d’échantillons (minéraux, bois, métal) en traction et compression et décrit ses expériences dans son livre ̎ Institutiones ̎ en 1734. En réponse, Buffon (1707-1788) construit une machine pour tester la résistance du bois et en déduit des abaques de ̎ force du bois ̎ qui seront utilisées en construction jusqu’au 19eme siècle. A la fin du 18eme siècle, on note les expériences de Franz Karl Achard (1753 -1821) qui réalisa des essais de traction, compression, flexion et dureté sur près de mille matériaux.
Le 19eme siècle est marqué par les premiers essais mécaniques à vocation industrielles avec David Kirkaldy (1820–1897) qui est le premier à développer une activité de test pour l’industrie métallurgique qui est en plein développement à l’époque, il contribua notamment à l’expertise de la célèbre ̎ Catastrophe ferroviaire du pont sur le Tay ̎ qui mit en cause la qualité de l’acier utilisé. Georges Charpy (1865-1945) est l’inventeur du mouton pendule qui porte son nom ainsi que de l’essai associé consistant à utiliser un mouton- pendule pour briser une éprouvette entaillée ; l’énergie absorbée étant calculée grâce à la hauteur atteinte par le marteau après le choc.
La période contemporaine est marquée par l’établissement des normes et la physique des matériaux. On voit dès le début du 20ème siècle des tentatives pour normaliser les essais ainsi que des explications des comportements mécaniques par la mécanique des milieux continus, notamment par Stephen Timoshenko (1878-1972).
1.2- Essais de traction, compression et flexion 1.2.1- Définitions
1.2.1.1- Traction simple
Une poutre est sollicitée à l’extension simple si elle est soumise à deux forces directement opposées qui tendent à l’allonger ou si le torseur de cohésion peut se réduire en G, barycentre de la section droite S, à une résultante portée par la normale à cette section. (Figure 1.1) [5]
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception 7
Contrainte
D’une part, le vecteur contrainte ⃗ se réduit à une contrainte normale à la section et est réparti uniformément sur toute la section : ⃗ = ⃗. (figure 1.2)
Déformation
Soient la longueur initiale de la poutre et L, sa longueur sous sollicitation. On définit :
allongement : ∆ = − ;
allongement relatif : =∆ ou % = ∆ × ;
déformation selon ⃗ :
=∫ = [ln ( )] = (L)− ( ) = D’autre part :
⃗ = ⃗ = ⃗= ⃗ ⇒ =
= ∫ = ∫ = . ⇒ =
Avec :
N en (N) ; S en (mm2) et en (MPa)
Figure 1.1: Eprouvette soumise à une traction simple
Figure 1.2 : Répartition des contraintes en traction
Donc : = ln (1 + )
1.2.1.2- Compression simple
Une barre est dite sollicitée à la compression lorsqu’elle est soumise à l’action de deux forces égales et opposées tendant à la raccourcir ou si le torseur de cohésion peut se réduire en G, barycentre de la section droite S, à une résultante négative portée par la normale à cette section. (Figure 1.4)
NB : La longueur de la poutre (L) doit être inférieure à 8 fois la dimension transversale la plus faible pour éviter le risque de flambage.
Figure 1.4 : Poutre en compression La déformation longitudinale
s’accompagne d’une déformation de contraction transversale tel que :
=− et = − (Figure 2.3) où est le coefficient de poisson ( ≈ 0,3 pour les aciers).
Figure 1.3 : Déformations en traction
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception 9 Contrainte dans une section droite (figure 1.5) :
Elles sont normales à (S) et uniformément réparties dans cette dernière. La contrainte ( ) a pour valeur : = avec :
< et < ;
N : effort normal (N) ;
S : section droite soumise à la compression (mm2).
1.2.1.3- Flexion simple
Une poutre est sollicitée à la flexion simple si le torseur associé aux efforts de cohésion peut se réduire en G, barycentre de la section droite S, à une résultante contenue dans le plan de la section et à un moment perpendiculaire à cette dernière. Un exemple de poutre sollicitée à la flexion simple est illustré sur la figure 2.6. [5]
Figure 1.5 : Répartition des contraintes en compression
Figure 1.6 : Poutre sollicitée en flexion
Etude des contraintes
Lorsque la poutre fléchit (figure 1.7), la section droite pivote d’un angle ∆ et on constate que :
les fibres moyennes ne changent pas de longueur (la contrainte y est donc nulle) ;
les autres fibres s’allongent ou se compriment (figure 1.8). Les contraintes normales engendrées sont proportionnelles à la distance qui les sépare du plan des fibres moyennes, d’où : =− . . avec :
: Contrainte normale de flexion en M (MPa) ;
: Module d’Young (MPa);
: Ordonnée de M par rapport à la fibre neutre (mm) ;
: Angle unitaire de flexion (rad/mm). ; = ∆ .
Relation entre contrainte et moment de flexion Le vecteur contrainte (⃗) dans la section droite s’écrit :
⃗( , ⃗) = ⃗ =− ⃗ Le moment résultant du torseur de cohésion : M⃗ = M z⃗ = ∫ GM⃗ ⋀C⃗(M, x⃗)
Figure 1.7 : Déformations en flexion Figure 1.8 : Contraintes en flexion
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception 11 GM⃗ = y⃗+ z⃗
Il en résulte : M = ∫ = ∫
Or = − ⇒ = − , donc
= − ∫
On définit l’expression : =∫ comme moment quadratique polaire de la section S par rapport à l’axe (o, z) et s’exprime en mm4.
Finalement M = − I ⇒ σ = − y
Les contraintes normales se développent dans les fibres les plus éloignées de la fibre neutre, donc : |σ | = | |
Pour une section droite donnée, la quantité = | | s’appelle le module de résistance de la section par rapport à l’axe (o, z) et s’exprime en mm3.
La relation la plus utilisée est :
| | =
1.2.2- Principes
1.2.2.1- Principe d’essai de traction
Il s’agit de l’un des essais les plus pratiqués. L’essai consiste à soumettre une éprouvette, échantillon soigneusement confectionné du matériau à étudier, à un effort de traction dont on peut augmenter la valeur de manière progressive jusqu’à la rupture de l’éprouvette. Il peut se dérouler dans une enceinte à température ambiante ou contrôlée. On enregistre au cours de l’essai, les allongements de l’éprouvette et les charges correspondantes. Ceci permettra de tracer le diagramme de comportement du matériau et de déterminer ses caractéristiques fondamentales : limite d’élasticité, charge à la rupture et allongement notamment.
1.2.2.2- Principe d’essai de compression
Certains matériaux se prêtent très mal aux essais de traction : il est très difficile d’amarrer correctement une éprouvette de traction d’un matériau fragile pour lequel la rupture survient aux congés, sièges de concentration de contraintes. Dans certains cas, on ne dispose pas d’assez de matière pour usiner une éprouvette. Il est alors plus aisé de réaliser un essai de compression qui peut être effectué sur un simple cylindre. Enfin, les caractéristiques mécaniques en compression sont indispensables à connaître pour certaines applications et si, bien souvent, ce sont les mêmes qu’en traction, il existe des matériaux pour lesquels ce n’est pas exact (fontes, béton, matériaux composites, bois, etc.).
Théoriquement, l’essai est simple à réaliser puisqu’il suffit de placer l’éprouvette cylindrique entre les deux plateaux d’une presse. Cela ne pose pas de difficultés sur les machines d’essais mécaniques qui comportent une cellule de charge. [2]
Malheureusement, il se présente un certain nombre de difficultés dans l’essai de compression. Il importe en premier lieu d’obtenir un excellent parallélisme des faces d’appui des éprouvettes, et de s’assurer de l’axialité des efforts. De plus, et surtout, il est très difficile de s’affranchir de l’hétérogénéité des déformations de l’éprouvette près des appuis. Le frottement empêche la déformation radiale et l’éprouvette prend la forme d’un tonneau. Il faudrait réaliser des appuis à frottement nul et il importe de prendre soin de bien lubrifier les faces. La graisse graphitée constitue un bon moyen pour minimiser les frottements.
1.2.2.3- Principe d’essai de flexion
Cet essai est séduisant pour déterminer les caractéristiques des matériaux fragiles qui se prêtent mal à l’essai de traction.
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception 13
Dans le cas d’essai de flexion trois points, le barreau d’essai est posé en appui libre sur deux supports écartés d’une distance D et la charge est appliquée au milieu de cet intervalle par l’intermédiaire d’un poinçon de forme telle qu’aucune pénétration ne puisse se produire dans le métal du barreau. [2]
Au cours de la flexion, les fibres sont diversement sollicitées, en compression comme celles situées au-dessus de la fibre neutre ou de la surface neutre, en traction au-dessous. La résistance à la flexion n’est donc pas une caractéristique intrinsèque d’un alliage puisqu’elle dépend des résistances à la traction, à la compression et même au cisaillement. De plus, la forme du barreau et celle du poinçon interviennent également. On mesure la flèche en fonction de la charge et l’on note la charge totale de rupture.
Très souvent, l’essai est prévu sur des pièces travaillant normalement en flexion (telles que des axes de patins de chenilles) et fait, dans chaque cas, l’objet de spécifications particulières (charge, flèche, forme des appuis et du poinçon, distance entre appuis).
1.2.3- Les éprouvettes
Les éprouvettes sont des échantillons du matériau à étudier, qui doivent subir l’essai. La géométrie des éprouvettes varie en fonction de ce que l’on cherche à caractériser. Classiquement, elles peuvent être parallélépipédiques ou de section circulaire, et d’épaisseur constante ou variable.
Pour des essais de traction par exemple, la norme NF A 03-151 précise la forme et les dimensions de la partie calibrée, laissant aux divers laboratoires le soin de dessiner à leur guise les têtes d’amarrage de façon à les adapter au mieux aux diverses machines d’essai. La figure 1.9 présente une éprouvette cylindrique de traction avec les dimensions normalisées. [4]
Figure 1.9 : Forme et dimensions de la partie calibrée des éprouvettes de traction 1.2.4- Exploitation des mesures
Après avoir choisi la machine appropriée, on procède à l’essai. Au cours de l’essai, les variations dimensionnelles de l’éprouvette et les charges correspondantes sont relevées. On porte dans un repère plan (xoy), en abscisses, les allongements et en ordonnées, les charges. La courbe de comportement du matériau est obtenue en joignant les différents points.
1.2.4.1- Exemple : Diagramme d’essai de traction
En traçant l’évolution de la contrainte en fonction de la déformation longitudinale, on observe deux zones principales : la zone de déformations élastiques et la zone de déformations plastiques (figure 1.10). [5]
= 5,65
= + ( ⁄2) à + 2
≥ + 2 ou + 4 suivant le mode d’attache avec la section initiale de l’éprouvette
Lo
Lc
Lt
≥ à 2d ≥ à 2d
So
d
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception 15
Figure 1.10 : Courbe usuelle de la déformation pour un essai de traction d’acier doux
Analyse de la courbe :
Le domaine élastique OA est la zone où la déformation subie par l’éprouvette n’est pas définitive : l’éprouvette revient à sa longueur initiale dès que la charge est relâchée. le point A, auquel correspond la limite élastique Re marque la fin de cette zone.
Dans la zone plastique, la déformation est définitive. On différencie trois zones dans le domaine plastique :
dans la zone AB, la contrainte reste constante et l’allongement se poursuit. En cas de déchargement demeure une déformation résiduelle ;
dans la zone BC, le matériau subit un changement de structure qui accroît sa limite élastique (écrouissage). Le point C correspond à la résistance maximale (notée Rr) du matériau ;
entre les points C et D, l’éprouvette subit une striction amenant une diminution de la section par étranglement. La rupture réelle se produit en D.
1.2.4.2- Caractérisation du matériau
Après avoir construit le diagramme, on peut déterminer à l’aide des formules usuelles de la résistance des matériaux :
la contrainte de la limite élastique = avec
S , section initiale de l éprouvette (mm );
Fe, force appliquée en Newton (N);
Re, résistance élastique (N/mm ) .
Cette limite est difficile à déterminer, pour cela, on utilise plutôt la limite d’allongement rémanent , qui correspond à un allongement de 0,2 %.
la contrainte à la rupture à la traction :
= avec
l’allongement pour cent (A%) après rupture :
% = × 100 avec: L , longueur initiale de l éprouvette(mm);
L, longueur après rupture (mm).
le coefficient de striction pour cent ( %) :
% = × 100 avec: S , section initiale (mm );
S, section après rupture (mm ).
le module d’élasticité longitudinale (E) dans la zone OA : = .
∆ . avec :
F, charge appliquée (N);
L, longueur initiale(mm);
S, la section calibrée (mm2);
∆L, la variation de longueur (mm).
Le module d’élasticité longitudinale ou module de Young E (N/mm2) est la pente de la portion linéaire OA du diagramme.
S , section initiale de l éprouvette (mm );
Fr, force de rupture en Newton (N);
Rr, résistance à la rupture (N/mm ) .
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception 17 1.3- Les machines d’essais de traction, compression et flexion
1.3.1- Description générale d’une machine de traction, compression et flexion
Il existe plusieurs types de machines. Nous ne pouvons les aborder tous, car elles varient selon les constructeurs et les options. Mais, quel que soit le cas, une machine de ces types d’essais est constituée d’un bâti portant une traverse mobile.
L’éprouvette, selon sa géométrie, est installée entre la base de la machine et la traverse mobile (dans le cas d’une machine mécanique) ou le vérin (dans le cas d’une machine hydraulique). Le déplacement de la partie mobile réalise selon le sens de mouvement, la traction, la compression ou la flexion. Les machines comportent une cellule de charge, qui permet de mesurer l’effort appliqué à l’éprouvette. Le déplacement de l’éprouvette peut être suivi de diverses façons. Les dispositifs expérimentaux sont généralement asservis et peuvent être pilotés à vitesse de montée en charge, à charge constante, à vitesse de déformation constante, etc., selon ce qui peut être proposé par le système de pilotage (figure 1.11). [3]
Figure 1.11: Exemple de dispositif de traction d’un centre des Matériaux [6]
Nous pouvons retenir que l’architecture des machines présente deux parties essentielles :
une partie mécanique ;
une partie extensométrie (s’occupant des mesures).
1.3.2- La partie mécanique
Elle se compose généralement des éléments suivants : un bâti rigide, un système d’entraînement et des mors.
Le bâti rigide
Il est en fait le support de la machine. Il est conçu pour recevoir les autres éléments de la machine. Il est constitué d’une semelle et d’une traverse reliées par des colonnes.
Les mors
Les mors sont au nombre de deux : l’un fixe et l’autre mobile. Ils servent à la prise des éprouvettes et sont fonction de type d’essai et de la géométrie des éprouvettes.
Dans le cas de la traction, les mors sont des mâchoires permettant de tenir les têtes des éprouvettes (figure 1.12). Dans le cas d’un essai de compression, les mors sont juste des plateaux de compression (figure 1.13). Quant à la flexion, il s’agit des appuis formant un banc de flexion (figure 1.14).
Figure 1.12 : Exemples de mors pour essai de traction : (a) mors pour éprouvette aux têtes percées, et (b) pour celle aux têtes cylindriques
(a) (b)
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception 19
Le système d’entraînement
Le système d’entraînement assure le déplacement du mors mobile pour appliquer l’effort (force de traction, compression et flexion). Il est réalisé par des éléments électromécaniques (moteur-engrenages-vis sans fins) ou hydrauliques (vérin). La vitesse de l’entraînement est variable.
1.3.3- La partie extensométrie 1.3.3.1- Mesure des déplacements
Pour mesurer la déformation de la pièce au cours de l’essai, il existe deux méthodes très différentes. Le plus souvent, on utilise le capteur de déplacement qui est intégré, dans toutes les machines d’essais, à la partie mobile. Ce capteur permet de mesurer le déplacement de cette partie et, indirectement, l’allongement de la pièce (dans le cas d’un essai de traction).
La mesure indirecte de la déformation convient à de nombreux essais de traction, compression ou flexion, en particulier lorsque les pièces présentent un
Figure 1.13 : Exemples de plateaux de compression
Figure 1.14 : Exemples d’appuis pour essais de flexion
fort allongement. Mais, elle souffre d’une limite. Du fait qu’il est placé sur la partie mobile, le capteur de déplacement mesure en réalité la déformation de toute la chaîne de mesure (pièce, accessoires de serrage, traverse, etc.). La méthode ne convient donc pas lorsqu’on recherche une précision importante, ou lorsqu’il s’agit de mesurer de très faibles déformations (c’est le cas notamment avec des matériaux métalliques).
Pour palier cette limite, certains fournisseurs proposent d’utiliser un extensomètre pour mesurer directement les déformations de la pièce. La mesure directe imposée dans certaines normes d’essais, est plus précise. Les fabricants qui fournissent cette solution proposent généralement une large gamme d’extensomètres (capteur capacitif, jauge, capteur laser, système vidéo, etc.).
Il existe deux grandes catégories d’extensométries : avec ou sans contact.
Nous présentons tout d’abord les dispositifs avec contact (jauge de déformation et exténsomètre à pinces), puis l’extensométrie sans contact.
1.3.3.2- Extensomètrie avec contact a-) Jauges de déformation
Les jauges de déformations sont des dispositifs traduisant en variation de résistance leur propre déformation, en principe égale à celle de la structure à l’endroit où elles sont collées. Elles permettent typiquement de mesurer les déformations de l’ordre de ±1 . L’image de gauche de la figure 1.15 présente le schéma de fonctionnement de ces dispositifs. Le conducteur est soit d’origine métallique, souvent des alliages à base de nickel, soit un semi- conducteur. Le nombre de brins de la grille diffère selon le type de conducteur.
Il varie entre 10 et 20 pour un conducteur métallique et vaut 1 pour les jauges semi-conductrices. La relation qui lie déformation de l’extensomètre et résistance est : =∆ = ∆
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception 21
où R est la résistance électrique et K le facteur de jauge, qui dépend très fortement du coefficient de Poisson ( = (1−2 ) + 1 + 2 , où C dépend du matériau ; il varie d’environ 2 pour les métaux et à plus de 100 pour les semi- conducteurs). Plus le facteur de jauge sera grand, plus la sensibilité de la jauge sera grande. Les résistances mises en jeu sont classiquement comprises entre 120 et 350 W. On peut facilement mesurer des déformations de plus de 4 %. La variation de la résistance d’une jauge soumise à une déformation reste faible.
Par exemple, pour = 0,0014 et = 2,1 ; = 0,3%.
Il est plus pratique alors de mesurer la variation du potentiel ∆ plutôt que celle de la résistance elle-même, via un pont de Wheatstone. Les jauges classiques produisent un signal de l’ordre de ±2 / avec une tension d’alimentation maximale de 10 V environ, ce qui constitue donc un signal de sortie relativement faible, d’où la nécessité de disposer au minimum d’un bon amplificateur.
Les jauges semi-conductrices ont une sensibilité bien supérieure par rapport aux jauges métalliques. Cependant, elles trouvent leur intérêt dans la mesure de faibles déformations, dans un domaine de température restreint. Les jauges métalliques sont utilisées pour la mesure précise de déformation pouvant atteindre des amplitudes importantes et dans des domaines de température étendus, entre -40 et +200 oC pour des temps de mesure pas trop prolongés. Leur élongation maximale est d’environ 3 % et leur durée de vie est de 105 à 106 cycles.
L’image de la droite de la figure 1.15 présente un montage de traction incluant deux jauges de déformation, une axiale et une transversale, ainsi qu’une mesure par extensomètre à pince.
Figure 1.15: Image de droite : schéma de principe du fonctionnement d’une jauge de déformation. Image de gauche : jauge collée sur une éprouvette. [3]
b-) Extensomètres à pinces
Le deuxième type d’extensomètre avec contact est l’extensomètre à pinces.
Il en existe deux sortes. Il y a les extensomètres à LVDT (Linear Variable Differential Transfromer) qui ont un corps constitué d’un noyau central autour duquel s’enroulent trois bobines [6]. Une de ces bobines (primaire) est alimentée en courant et lorsque le noyau coulisse, cela induit du courant dans les bobines secondaires dont les variations sont proportionnelles au déplacement du noyau.
Le courant augmente dans l’une des bobines et diminue dans l’autre, ce qui permet de mesurer la position du noyau. Le noyau est lui-même relié à l’éprouvette via des princes qui l’enserrent légèrement, et il coulisse librement.
Son déplacement autour de la position d’équilibre du pont génère deux tensions représentatives de l’amplitude de déplacement et de son sens. La valeur de ce déplacement est obtenue par comparaison des valeurs crêtes de chaque signal.
La résolution est de l’ordre de 0,1 % de la plage de mesure qui peut varier de 1 à 100 mm environ. On peut donc espérer mesurer des déplacements, dans des conditions optimales, de l’ordre de 1 . La résolution en déformation est d’environ 0,5 %.
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception 23
Le deuxième genre d’extensomètre à pinces repose sur la mesure de la déflexion d’une barre par des jauges de déformation. Cette barre, située dans le corps de l’extensomètre, fléchit sous le déplacement des couteaux suite à la déformation de l’échantillon.
Figure 1.16: Extensomètres diamétral et longitudinal à pinces sur une éprouvette de traction [3]
1.3.3.3- Extensométrie sans contact
Il est également possible de réaliser des mesures de déplacement sans contact avec l’échantillon. Cela peut être particulièrement commode pour des essais en température, par exemple. Dans ce cas là, on dépose sur la surface de l’échantillon deux points colorés dont les déplacements pourront être suivis par corrélation d’images, celles-ci étant prises à l’aide d’une caméra.
Cette méthode de mesure des déformations par réseaux optiques a été développée par DANTU. D’autres chercheurs comme DESALLY, ENNOS…
ont par la suite apporté leur contribution.[6]
Nous présentons brièvement les méthodes les plus utilisées.
a-) Le moiré
La méthode est facile à mettre en œuvre et ne perturbe pas la grandeur à mesurer. Elle ne peut que détecter des déplacements supérieurs à 40 microns.
Elle consiste à créer des franges d’interférences entre deux réseaux très fins dont l’un a été déformé.
b-) Interférométrie laser
C’est une des dernières innovations dans l’extensométrie. Elle permet des mesures de l’ordre de 0,2 micron.
c-) Interférométrie speckle
C’est une technique qui exige la superposition d’un clichet ̎ positif ̎ de l’objet déformé, et d’un clichet ̎ négatif ̎ de l’objet non déformé. La technique sert à visualiser les déplacements tangentiels. A cause de la superposition, cette technique devient moins sensible que les autres.
1.3.3.4- Cellules de charge
La mesure des forces repose sur l’évaluation de la déformation d’un corps dont le module est connu ; la théorie de l'élasticité permet alors de remonter de la déformation à la force appliquée.
Dans le cas des machines d’essais, le principe des cellules de charge repose sur la déformation d’un corps d’épreuve sur lequel ont été disposées des jauges de déformation qui permettent de mesurer la déformation par une variation de signal électrique. Il est alors possible de déduire la charge appliquée de la tension lue aux bornes des extensomètres.
Plus ce corps aura un module faible, plus il permettra de mesurer des forces faibles, mais il risquera alors de perturber l’expérience puisque la cellule de charge est en série avec les mors et l’éprouvette.
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception 25
En outre, la force mesurable maximale est bornée supérieurement par la limite élastique du corps d’épreuve. Pour éviter le risque d’endommager la cellule, certaines d’entre elles sont équipées d’une butée qui interdit la mesure au-delà d’une certaine force. La géométrie de la cellule de force dépendra de la sensibilité souhaitée ou de la rigidité nécessaire. La figure 1.17 présente un certain nombre de géométries de cellules de force classiques. En pratique, l’erreur de mesure sur les cellules de force commerciales varie typiquement de 0,02 à 2 % environ [3].
Figure 1.17 : Différents types de cellule de charge [3]
1.3.4- Classification des machines suivant le système d’application des efforts
1.3.4.1- Machines hydrauliques
Dans ces machines, l’effort est exercé par un vérin hydraulique piloté par un groupe hydraulique (figure 1.18). Nous pouvons distinguer sur le groupe hydraulique, une pompe hydraulique, un moteur électrique, un distributeur, une vanne, etc. La vanne de réglage à caractère spécial est installée à l’admission de l’huile dans le vérin. Ce qui offre ainsi à l’opérateur, la possibilité de régler manuellement le débit et de contrôler approximativement la vitesse de déplacement du mors mobile. [2]
Sur ces machines, la pression de l’huile peut être mesurée. En absence d’une cellule de charge, cette pression peut être utilisée pour évaluer les efforts en connaissant le diamètre du piston et de la tige du vérin.
Ces machines hydrauliques ont le mérite de la simplicité et de la robustesse et elles rendent encore de très grands services dans de nombreux laboratoires.
Leur inconvénient principal est le manque de stabilité et de contrôle de la vitesse de déplacement du mors mobile. Or, dans de nombreux essais, il est important d’évaluer correctement l’influence de ce paramètre sur les propriétés mécaniques.
Figure 1.18: Vue d’un groupe hydraulique 1.3.4.2- Machines à vis [2]
Sur ces machines, l’effort est excercé par un moteur électrique agissant sur une vis attaquant une traverse mobile (figure 1.19). [2]
Un système de boîte de vitesses permet de choisir la vitesse de déplacement de la traverse dans une gamme élevée (0,1 mm/min à 150 mm/min par exemple) et de la changer instantanément. La mesure de la charge se fait sur ces machines
Manette de charge/
décharge
Bouton de réglage cadence de mise en charge
Manette avance rapide/
mise en charge Moteur électrique
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à l’aide de cellules placées généralement à la partie supérieure du bâti. Il s’agit d’anneaux ou de cylindres dynamométriques équipés de jauges de contraintes ou de capteurs de déplacement à induction. Ces cellules ne fonctionnent que dans une gamme de charges données (1 à 10 kN par exemple) et il faut les remplacer si l’on désire travailler dans une autre gamme. Le signal est envoyé sur un enregistreur potentiométrique, la charge commandant le déplacement du stylet.
Le déplacement du papier est lié à celui de la traverse. Les systèmes d’amplification procurent une grande souplesse d’enregistrement : on peut aisément choisir les échelles les mieux appropriées, décaler l’origine pour réaliser la fenêtre la meilleure pour la mesure visée.
Il est également possible de commander le déplacement du papier de l’enregistreur par un potentiomètre commandé par un extensomètre placé sur l’éprouvette ; il est alors possible de piloter la vitesse de déformation de l’éprouvette elle-même, en court-circuitant la déformation parasite de la traverse.
Figure 1.19: Machine d’essai électromécanique : schéma de principe [2]
1.3.4.3- Machines hydrauliques asservies
Pour les essais de fatigue, se sont développées des machines hydrauliques asservies (figure 1.20). Elles sont bien entendu, aussi utilisées pour réaliser des essais statiques (essai de traction, compression et flexion). Leur avantage réside dans leur grande souplesse d’emploi. Utilisant un vérin hydraulique pour transmettre l’effort, le débit est piloté par une vanne asservie. Le signal de commande de cette vanne provient de la différence entre le signal délivré par l’appareil qui mesure la grandeur à contrôler et le signal imposé. Il est possible de piloter ces machines à partir de la charge mesurée par une cellule, ou du déplacement du vérin ou d’un extensomètre placé sur l’éprouvette. [2]
De plus en plus, ces machines sont couplées à un ordinateur qui permet la saisie des données et leur traitement rapide et commode. On peut encore perfectionner le système en utilisant l’ordinateur pour piloter la machine en temps réel ; ce dispositif, à vrai dire, est surtout utile pour les essais de fatigue mais peut éventuellement servir dans certains essais de rupture.
Figure 1.20 : Machine hydraulique asservie : schéma de principe [2]
I boucle de charge II boucle de déformation III boucle de déplacement IV asservissement
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception 29 1.4- Exemples de machine
Exemple no1 [7]
Machine universelle, électromécanique informatisée MULTIENSAYO.
Exemple no2
Exemple no3 [7]
Bâti d’essais de flexion 50-C1200/FR, d’une capacité de 100 kN avec rouleaux, capteur de pression, socle et kit de connexion pour console de commande.
Cette étude bibliographique nous a permis de dégager les maillons importants de toute chaîne d’essai de traction, compression et flexion (buts, machines, éprouvettes, méthodes de mesure…etc).
Nous nous inspirerons de ces données bibliographiques pour concevoir et réaliser notre machine de traction, compression et flexion.
II- ETUDE TECHNIQUE DE LA
MACHINE D’ESSAIS
Il s’agit ici de faire une étude fonctionnelle de la machine afin de procéder à un choix judicieux des éléments constitutifs de la base. Les différents choix permettront d’élaborer une architecture de la machine et d’expliquer son fonctionnement.
Avant tout, mettons d’abord en exergue le principe et les différentes parties de la machine à travers un schéma synoptique.
2.1- Schéma de principe de la machine
La figure ci-dessous rappelle les éléments principaux que devra comporter la machine d’essais de traction, compression et flexion.
La machine doit comporter trois parties fondamentales :
bâti composé :
d’une base, partie fixe pouvant accueillir les mors fixes de chaque type d’essai ;
Figure 2.1 : Schéma de principe de la machine Colonne Montage de mors mobile
Montage de mors fixe
Base ou table Eprouvette Traverse
Application et
⃗
Mesure des déplacements Mesure des efforts
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception 33
d’une traverse, à laquelle est lié le système d’application d’effort.
Si l’application d’effort est électromécanique, la traverse devra être mobile, mais si un vérin est utilisé, elle est fixe et la tige du vérin assure le déplacement du mors mobile ;
de colonnes reliant la traverse à la base.
système d’application d’effort (double sens) pouvant être électromécanique ou hydraulique ;
systèmes de mesure des déplacements et des efforts (extensométrie).
2.2- Système d’application des efforts
2.2.1- Choix du système d’application des efforts
Le système d’entraînement constitue le dispositif permettant d’appliquer un effort sur l’éprouvette. Pour assurer cette fonction, il existe essentiellement deux types d’entraînement : l’entraînement électromécanique (basé sur des vis à billes) et l’entraînement hydraulique (basé sur des vérins hydrauliques).
La capacité du dispositif d’essais étant 100 kN, il peut être déjà classé parmi des machines de capacité moyenne. Pour ces genres de machine, le système le plus utilisé est celui du vérin hydraulique [1]. On en retient également que les dispositifs hydrauliques dominent les produits de certains constructeurs par sa simplicité et sa robustesse. Aussi, sur ce système, on peut se passer de la cellule de charge, en mesurant tout simplement à l’aide d’un manomètre, la pression d’huile, donc l’effort. Pour ces raisons, nous optons pour l’utilisation d’un vérin hydraulique.
2.2.2- Circuit de commande du vérin
Le sens de l’effort à appliquer pour des essais de traction est opposé à celui des essais de flexion et de compression. Donc, il faut un vérin à double effet pour assurer les fonctions de la machine. Le schéma suivant, nous présente un circuit hydraulique permettant de commander ce type de vérin.
Figure 2.2: Circuit hydraulique
Le circuit comprend l’ensemble des éléments numérotés suivants :
1. Réservoir ; 2. Filtre d’aspiration ou crépine ; 3. Moteur d’entraînement de la
pompe ; 4. Pompe hydraulique ; 5. Réducteur de débit réglable ; 6. Manomètre ; 7. Distributeur 4/3 à centre tandem, à centrage par ressorts ;
8. Filtre sur le retour ; 9. Limiteur de pression réglable ; 10. Vérin hydraulique à double effet.
(c) (o)
(a)
M
A B
P T
1 2 3 4 5 6 7
8 9 10
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception 35 2.2.3- Rôle des éléments du circuit hydraulique
Réservoir : les fonctions du réservoir sont de :
stocker l’huile nécessaire au fonctionnement de l’installation;
dissiper la chaleur due à l’échauffement de l’huile ; permettre aux particules polluantes de se déposer.
Le volume du réservoir est fonction du débit d’huile de la pompe en L/min (Q) et de la pression de fonctionnement de l’installation en bar (P). Pour un circuit ouvert comme le notre, la capacité du réservoir est choisie de telle sorte qu’elle soit trois ou quatre fois supérieure à la valeur du débit maximal de la pompe hydraulique [8]. A cela, s’ajoute un volume d’air de 10 à 15% du volume de fluide pour compenser les variations de niveau.
Pour dissiper la chaleur due à l’échauffement de l’huile, des mesures seront prises pour faire circuler l’air autour du réservoir.
Le bac doit aussi permettre aux particules polluantes de se déposer. Pour cela, le fond du réservoir aura une légère pente (5 à 10°). Le point le plus bas sera du coté du retour de l’huile. Une cloison appelée « Cloison de tranquillisation » sera installée pour obliger l’huile à circuler lentement à l’intérieure du réservoir. L’huile étant moins agitée, la pollution se dépose mieux.
La liaison couvercle-réservoir sera étanche pour éviter la pollution de l’huile, première cause de disfonctionnement et d’usure prématurée des composants hydrauliques.
Moteur électrique : il fournit l’énergie mécanique à la pompe à partir de l’énergie électrique. Ses caractéristiques principales sont le régime et la puissance.
Pompe : elle transforme l’énergie mécanique qu’elle reçoit en énergie hydraulique en fournissant un débit. Sa caractéristique principale est le volume du fluide qu’elle refoule à chaque cycle. Ce volume s’appelle la cylindrée C. On l’exprime généralement en cm3.
Limiteur de pression : il permet de limiter la pression à une valeur de sécurité en rapport avec les composants du circuit.
Réducteur de débit : cet appareil permet le réglage de la vitesse de déplacement du vérin en diminuant la section de passage du fluide.
Distributeur 4/3 : le distributeur permet de diriger le fluide dans différentes directions, afin de commander la sortie ou la rentrée de la tige du vérin.
Vérin à double effet : il transforme l’énergie hydraulique en énergie mécanique dont on a besoin pour les différents essais.
Manomètre : il mesure la pression développée et permet donc de calculer par la suite l’effort.
Les filtres : ils permettent de séparer les impuretés de l’huile.
2.2.4- Fonctionnement de l’installation hydraulique
Lorsqu’on met le moteur en marche, la pompe tourne et fournit un débit. Le distributeur étant en position (o), au repos (voir figure 2.2), le fluide retourne librement au réservoir en passant par ce dernier.
Lorsqu’on met le distributeur en position (a), le fluide sous pression est envoyé dans la chambre de pleine section du vérin. Alors la tige du vérin sort et peut déployer donc un effort de flexion ou de compression sur une éprouvette.
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception 37
Lorsque le distributeur est balancé en position (b), le fluide sous pression circule vers la chambre de section annulaire du vérin. Alors la tige du vérin rentre et peut déployer un effort de traction sur une éprouvette.
2.2.5- Configuration géométrique du circuit hydraulique
Les différents choix opérés nous ont permis de proposer numériquement une architecture de cette partie de la machine, que présente la figure 2.3.
Légende :
1- Moteur électrique, 2- Accouplement ; 3- Pompe hydraulique ; 4- Canalisation d’alimentation ; 5- Limiteur de pression ; 6- Réducteur de débit ; 7- Manomètre ; 8- Crépine ; 9- Filtre sur le retour ; 10- Canalisation de retour ; 11- Bouchon de vidange ; 12- Porte de visite ; 13- Voyant de niveau d’huile ; 14- Filtre de remplissage et reniflard ; 15- distributeur 4/3.
Vers le vérin 2
1 3
5
6
7 8 9
10
11 12
13 14 15 4
Figure 2.3 : Proposition de la configuration géométrique du groupe hydraulique
2.3- La structure du bâti
Le bâti comprend les éléments principaux tels que : une base, des colonnes et une traverse.
2.3.1- Choix des colonnes
L’espace de travail variant en fonction de type d’essai et des dimensions des éprouvettes ; et aussi la course du vérin étant limitée, nous devrons envisager un réglage de l’espace de travail en hauteur et même en longueur.
Pour des conceptions ̎ simples ̎, les colonnes souvent rencontrées sont en fer rond, en profilé carré ou en fer U ; dont les dimensions dépendent de la capacité maximale de la machine.
Lorsque le fer rond est utilisé, pour assurer le réglage en hauteur, des constructeurs utilisent le système de pincement ou un système de contre écrou.
Pour le système de pincement des colonnes (figure 2.4a), la traverse est percée et fendue et son élasticité est utilisée pour établir une liaison complète après le réglage. Concernant le système de contre écrou (figure 2.4b), les colonnes sont filetées et la traverse se repose sur des écrous. Des contres écrous permettent de rendre solidaire la traverse et les colonnes après le réglage.
Nous pensons que la précision de ces systèmes nécessite plus de ̎ moyens ̎.
Colonne Traverse
Colonne Traverse
(a) (b)
Figure 2.4 : Colonnes en fer rond [7]
Pincement
Ecrou Contre écrou
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception 39
Lorsque l’usage d’un profilé carré ou d’un fer U est fait, la colonne porte plusieurs trous de positionnement de la traverse. Le maintien de cette dernière en position est assuré avec des axes (figure 2.5). Cette conception nous paraît plus simple et réalisable en conception mécano-soudée. On constate aussi que ce type de colonne est plus utilisé sur des ̎ presses- ateliers ̎ à cause de sa simplicité.
A l’égard de ces constatations, nous portons notre choix sur l’utilisation de deux colonnes en fer UPN.
Figure 2.5 : Colonnes en profilé carré 2.3.2- Design de la traverse
La traverse représente l’élément supportant le vérin. Elle devra former avec les colonnes une liaison glissière lors du réglage en hauteur et être fixe en travail. Pour sa conception, nous allons utiliser deux pièces en fer UPN, reliées entre elles comme le montre la figure 2.6. Des trous réalisés seront utilisés pour maintenir la traverse en position sur les colonnes au moyen de deux axes.
Colonne
Trou des axes
Traverse
Figure 2.6 : Concept de la traverse Colonne Traverse Axe
2.3.3- La structure de la base
La base constitue la partie robuste de la machine à laquelle les colonnes sont reliées. Elle devra permettre le montage des accessoires des trois types d’essais. Elle sera composée en associant des profilés UPN. Comme le montre la figure 2.7, la colonne et les éléments (3) de la base sont liés par la soudure. Les autres pièces de la base sont fixées par boulonnage sur les éléments (3).
Les pièces (1) et (2) sont fixées de manière à former une ̎ rainure en T ̎ pour la fixation des accessoires de flexion. On peut disposer un jeu de ces deux éléments pour pouvoir allonger la base et l’adapter à des éprouvettes plus longues des essais de flexion.
Ces éléments portent le détail (L) permettant de les utiliser aussi pour former avec l’élément (4) une surface plane pour des essais de compression. Il suffit de les retourner et de les fixer comme l’indique la figure 2.8.
Concernant les essais de traction, le mors fixe est emmanché sur une chape et maintenu en position au moyen d’un axe. La chape est à son tour centré et fixée sur la base avec quatre boulons (figure 2.9).
Figure 2.7 : Concept de design de la base avec les appuis de flexion 3
Mors fixes Colonne
1 2 L Tige du vérin
Mors mobile
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception 41 Figure 2.8 : Concept de design de la base avec les plateaux de compression
Figure 2.9 : Concept de design de la base avec les mors de traction Rondelle de centrage d’éprouvette
Mors fixe
Axe de centrage Eprouvette
Tige du vérin
Mors mobile
Chape 1
2 4 Tige du vérin
Plateau de compression
2.3.4- La partie extensométrie
Nous aurions souhaité utiliser les moyens extensométriques modernes, très précis. Mais compte tenu de nos moyens, nous avons fait recours à un moyen simple, facile à mettre en œuvre qui se compose (figure 2.10) :
d’un comparateur avec une précision de 1/100 de mm. Le principe de la mesure est que le déplacement du comparateur correspond à la variation de la longueur de l’éprouvette ;
d’une surface de référence. Elle est matérialisée par une plaque de tôle rectifiée et solidaire à la tige du vérin.
Figure 2.10 : Concept de positionnement du comparateur 2.4- Représentation structurale de la machine et fonctionnement 2.4.1- Représentation structurale
Les choix techniques effectués nous ont permis de réaliser une maquette numérique de la machine ; qui fera l’objet d’un dimensionnement avant l’élaboration du dessin de définition des pièces.
La figure 2.11 nous montre une représentation architecturale de la machine.
Cette représentation ne tient compte d’aucun paramètre dimensionnel ; elle met seulement en exergue le principe et les choix technologiques.
Colonne Comparateur Support aimanté
Plaque de référence
Vérin Vis à têton
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception 43 Nous pouvons distinguer les éléments suivants sur la machine :
1-Colonne ; 2-Traverse ; 3-Axes de blocage de la traverse; 4-Vérin hydraulique à double effet ; 5-Adaptateur tige du vérin ; 6-Mors mobile ; 7-Axe de montage de mors ; 8-Volant de réglage en hauteur ; 9-Axe de blocage de volant ; 10- Câbles ; 11-Tige de réglage ; 12-Comparateur ; 13-Support aimanté du comparateur ; 14-Plaque de référence ; 15-Vis à têton ; 16-Canalisation hydraulique ; 17-Levier du distributeur ; 18-Manomètre ; 19-Réducteur de débit.
Figure 2.11 : Concept de la structure de la machine
NB : La vue éclatée de la machine qui sera présentée dans le chapitre d’exécution graphique donnera plus de précisions sur l’assemblage des pièces.
2.4.2- Procédure de réglage en hauteur
Les câbles 10 enroulé sur la tige 11 relient cette dernière à la traverse 2. La tige porte à son extrémité le volant 8. Elle est rendue solidaire en rotation au bâti par l’intermédiaire de l’axe 9 (deux trous débouchants sont pratiqués à cet effet).
La traverse peut coulisser sur la colonne si les axes 3 sont enlevés.
Pour le réglage en hauteur de la traverse, on procède comme suit :
enlever les axes 3 (alors la traverse est retenue uniquement par les câbles) ;
tenir le volant et enlever l’axe 9 ;
tourner le volant pour déplacer la traverse jusqu’à la position désirée (les trous de la traverse se confondant bien sûr à ceux des colonnes) ;
bloquer à nouveau la traverse avec les axes 3.
replacer l’axe 9 en repérant l’un des deux trous débouchants de la tige ; 2.4.3- Procédure de réalisation d’essais de traction
Les opérations d’essai de traction se déroulent comme suit :
emmancher le mors mobile sur l’adaptateur 5, visé à l’extrémité de la tige du vérin 4. Il est maintenu en position au moyen de la l’axe 7 (faire éventuellement de réglage en hauteur de la traverse) ;
monter le mors fixe sur la base, comme prévue sur la figure 3.9 ;
mettre le moteur en marche et actionner le levier 17 du distributeur pour faire sortir suffisamment la tige du vérin. Régler la vitesse en agissant sur le réducteur de débit ;
introduire l’éprouvette dans les mors (fixe et mobile) ;
inverser la position du distributeur ; puis suivre le manomètre jusqu’à l’observation d’une résistance (mouvement de l’aiguille);
