MPSI-PCSI Sciences Industrielles pour l’Ingénieur S. Génouël 07/05/2012
Corrigé Exercice 1 : BRIDE HYDRAULIQUE AVEC HYPOTHÈSE PROBLÈME PLAN.
Question 2 : Réaliser le graphe de structure, puis compléter le en vue d’une étude de statique.
Pivot d’axe ( , )K z
1, 2, 6, 13, 14, 15
(2)
Fluide (1)
7, 8, 9 4
Pivot d’axe ( , )K y
Pivot glissant d’axe ( , )I y Sphère-plan de
point de contact I et de normale y
(2)
(2) (1)
10, 11, 12
Ressort 5 (connu) Pièce
(F=4000N)
Question 3 : Donner la suite d’isolement à effectuer pour pouvoir déterminer la pression p d’alimentation du vérin de la bride hydraulique.
Isoler {7, 8, 9} AM47 et AM107 Isoler {4} AM24 et AMfluide4
Question 4 : Résoudre vos différents isolements, et exprimer p en fonction de l’effort presseur F, de la raideur k et des dimensions du système.
1) Isolons {7, 8, 9}.
2) Bilan des Actions Mécaniques Extérieures (BAME) sur {7, 8, 9}.
- Action mécanique de la pièce sur 8 (sphère-plan de point de contact J et de normale y) - Action mécanique de 10 sur 7 (pivot d’axe ( , )K z )
- Action mécanique de 4 sur 7 (sphère-plan de point de contact I et de normale y ) 3) Modélisables avec l’hypothèse problème plan ( , , )J x y par :
8
( , )
.
pièce 0
P J y
F y
T
10 7
10 7 0 10 7K
X x Y y
T
4 7
4 7( , ) 0
P I y
Y y
T
NB : Avec l'hypothèse problème plan ( , , )J x y , la forme des différents torseurs n’est valable uniquement pour des points du plan de symétrie. C’est pourquoi le torseur de la pivot n’est valable qu’au point K et non pas
( , )
P K z
.
NB : Rigoureusement, il ne faudrait pas faire ce graphe dans la position particulière du dessin.
Ainsi les ponctuelles en I et J ne seraient plus suivant y.
MPSI-PCSI Sciences Industrielles pour l’Ingénieur S. Génouël 07/05/2012 4) Résolution :
Comme on souhaite Y47 f F( ), il faut ne pas faire apparaître les inconnues de liaison indésirables de la liaison pivot. C'est à dire appliquer le théorème du moment statique en K en projection sur z.
,{7,8,9} {7,8,9} 0
MK
,{7,8,9} {7,8,9} 0
MK z
, 8 ,10 7
K pièce K
M z M z MK,47 z 0
4 7
( .a x ?. )y F y. z ( .b x ?. )y Y .y z 0
4 7
( .a x ?. )y F y. z ( .b x ?. )y Y .y z 0
4 7
. . 0
a FbY 4 7
. Y a F
b
1) Isolons {4}.
2) Bilan des Actions Mécaniques Extérieures (BAME) sur {4}.
- Action mécanique du fluide sur 4 - Action mécanique du ressort sur 4
- Action mécanique de 2 sur 4 (pivot glissant d’axe ( , )I y )
- Action mécanique de 7 sur 4 (sphère-plan de point de contact I et de normale y ) 3) Modélisables avec l’hypothèse problème plan ( , , )J x y par :
4
( , )
. .
fluide 0
P I y
p S y
T
4
0( , )
.( ).
ressort 0
P I y
k L L y
T
2 4
2 4,2 4 ( , ) I P I y
X x
N z
T
7 4
( , )
.
P I y 0
a F y
b
T
4) Résolution :
Comme on souhaite pf F( ), il faut ne pas faire apparaître les inconnues de liaison indésirables de la liaison pivot glissant. C'est à dire appliquer le théorème de la résultante statique en projection sur y.
4 4 0
R
4 4 0
R y
4 4 2 4 7 4 0
fluide ressort
R y R y R y R y
0
. .( ) a F. 0
p S k L L
b
0
.( ) a F.
k L L
p b
S
Question 5 : Faire l’application numérique.
2 2
32.4000 10.(20 16)
33 1, 4 / 1, 4 14
.30
p N mm MPa bar
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Corrigé Exercice 2 : TABLE ÉLÉVATRICE.
(Selon le concours Mines Albi, Alès, Douai et Nantes filière PCSI)
Question 1 : En isolant {2}, déterminer R52, puis R42 en fonction de m, g, et des données géométriques a et L.
1) Isolons {2}.
2) Bilan des Actions Mécaniques Extérieures (BAME) sur {2}.
- Action mécanique de 5 sur 2 (cylindre-plan de ligne de contact ( , )I z et de normale y) - Action mécanique de 4 sur 2 (pivot d’axe ( , )C z )
- Action mécanique de la pesanteur sur 2
3) Modélisables avec l’hypothèse problème plan ( , , )A x y par :
5 2
5 2( , )
.
P I y 0
Y y
T
4 2
40 2C
R
T 2
( , )
. .
pes 0
P G y
m g y
T
NB : Avec l'hypothèse problème plan ( , , )A x y , la forme des différents torseurs n’est valable uniquement pour des points du plan de symétrie. C’est pourquoi le torseur de la pivot n’est valable qu’au point C et non pas P ( , )C z .
4) Résolution :
Pour se débarrasser de AM42 et donc déterminer R52 en fonction du poids, il faut appliquer le théorème du moment statique en C en projection sur z :
,2 2 0 MC
,2 2 0
MC z
,5 2 ,4 2
C C
M z M z MC pes, 2 z 0
,5 2
MB CBR52 MG pes, 2
CGRpes2
z 05 2
2. cos .a x Y .y ( .L x H y. ) ( m g y. . ) z 0
5 2
2. cos .a Y L m g. . 0
5 2
. . 2. cos
L m g Y a
donc 5 2 . . . 2. cos
L m g
R y
a
Pour déterminer R42, il faut appliquer le théorème de la résultante statique :
2 2 0
R
5 2. 4 2 . . 0
Y yR m g y
4 2
. . . .
2. cos L m g
R m g y
a
MPSI-PCSI Sciences Industrielles pour l’Ingénieur S. Génouël 07/05/2012 Question 2 : En isolant {4}, déterminer R64 (norme et sens) en utilisant le théorème du moment
statique et en calculant les moments par la méthode du bras de levier (on mesurera les dimensions utiles sur le schéma).
1) Isolons {4}.
2) Bilan des Actions Mécaniques Extérieures (BAME) sur {4}.
- Action mécanique de 2 sur 4 (pivot d’axe ( , )C z ) - Action mécanique de 6 sur 4 (sphérique de centre F ) - Action mécanique de 3 sur 4 (pivot d’axe ( , )O z ) - Action mécanique de 5’ sur 4 (pivot d’axe ( , )D z ) 3) Modélisables avec l’hypothèse problème plan ( , , )A x y par :
2 4
20 4C
R
T 6 4
60 4
F R
T 3 4
30 4
O
R
T 5' 4
5'0 4
D R
T
NB : Avec l'hypothèse problème plan ( , , )A x y , la forme des différents torseurs n’est valable uniquement pour des points du plan de symétrie.
4) Résolution :
Le bras 4 est soumis à l’action de quatre glisseurs R24, R64, R34 et R5'4 .
Pour se débarrasser de AM34 dont on ne connaît rien, il faut appliquer le théorème du moment statique en O :
,4 4 0 MO
, puis de calculer ces moments avec la méthode du bras de levier :,2 4 ,6 4 ,3 4 ,5' 4 0
O O O O
M M M M
2 4 1. 6 4 2. 5' 4 1. 0
R d z R d z R d z
où d1250mm et d2 95mm
2 4 5' 4
16 4
2
52630
R R d
R N
d
et R64 dirigée vers le haut
d1 d1
d2 2 4
2 4 3333
R
avec R N
5' 4
5' 4 16666 R
avec R N
Droite d'action
(support) de R64 = (EF)
MPSI-PCSI Sciences Industrielles pour l’Ingénieur S. Génouël 07/05/2012 Question 3 : En isolant le piston {6}, exprimer la pression p de l’huile à envoyer dans le vérin en fonction
6 4
R et du diamètre D du piston.
1) Isolons {6}.
2) Bilan des Actions Mécaniques Extérieures (BAME) sur {6}.
- Action mécanique de 4 sur 6 (sphérique de centre F) - Action mécanique du fluide sur 6 (pression du fluide) - Action mécanique de 7 sur 6 (pivot glissant d’axe (EF)) 3) Modélisables avec l’hypothèse problème plan ( , , )A x y par :
4 6
40 6F R
T
avec R46 suivant l’axe du piston
6
6( ) 0
fluide fluide
P EF
R
T
avec Rfluide6 suivant l’axe du piston (car la pression est uniforme)
7 6
7 6 7 6,7 6 ,7 6
( )
. 0
. 0
P P
P EF
R R EF
avec
M M EF
T
4) Résolution :
Il faut appliquer le théorème de la résultante statique suivant (EF) :
R66 0, pour se débarrasser de7 6 AM :
4 6. fluide 6. 7 6. 0
R EFR EFR EF
4 6. fluide 6. 0 R EFR EF
Or R46 et Rfluide6 sont suivant (EF).
Donc R46 Rfluide6 avec Rfluide6 p S.
D’où 4 6 4 6
2 . 4
R R
p S D
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Corrigé Exercice 3 : LANCEUR DE ROULEAUX DE PAPIER D'IMPRIMERIE.
(Selon le concours Mines Albi, Alès, Douai et Nantes filière PCSI)
Question 1 : On suppose qu’au démarrage le rouleau 1 est en équilibre statique, sous l’action de 4 sur 1, de 3 sur 1, et du couple résistant Cr C zr. . Donner l’expression de la résultante tangentielle
4 1
T en fonction de C et R. Faire une application numérique. r
1) Isolons {1}.
2) Bilan des Actions Mécaniques Extérieures (BAME) sur {1}.
- Action mécanique de 4 sur 1
- Action mécanique de 3 sur 1 (pivot d’axe ( , )A z ) - Action mécanique de la résistance sur 1 (couple résistant) 3) Modélisables avec l’hypothèse problème plan ( , , )E x y par :
4 1 4 1. 0 4 1.E
T x N y
T 3 1 30 1
A R
T r 1 0.
P C zr
T
4) Résolution :
Pour se débarrasser de AM3 1 , il faut appliquer le théorème du moment statique en A :
MA,1 1 0 :,4 1 ,3 1 , 1 0
A A A r
M M M
,4 1 4 1 . 0
E r
M AER C z . 4 1. r. 0
R T z C z
4 1 Cr
T R AN : 4 1 176 293 T 0, 6 N
Question 2 : En déduire l’expression de la résultante normale N41 en fonction de et T41. Faire une application numérique.
A la limite d’adhérence : T41 a.N41 avec a tan
Donc 4 1 4 1
tan N T
AN : 4 1 293 508
tan 30 N
donc N41 508N
Question 3 : En supposant que L est la largeur de la courroie et que la répartition de pression p entre la courroie 4 et le rouleau 1 est uniforme (schéma ci-contre), déterminer l’expression de N41 en fonction de p , , L et R .
24 1 4 1 4 1 0
, 2
. . . .(cos . sin . ) . . . sin . cos . 2. . . .sin . 2
N dN dN n p ds n p R d d y x p R L y x p R L y
MPSI-PCSI Sciences Industrielles pour l’Ingénieur S. Génouël 07/05/2012 Question 4 : En prenant 30, calculer la largeur L de la courroie, pour que la pression de contact p 1
ne dépasse pas 1daN cm. 2. AN :
5
500 16,1
2.10 .0, 6. sin15
L mm
Question 5 : Isoler {6, 7} et en déduire une relation entre X65, Y65 et des données géométriques c et d.
1) Isolons {6, 7}.
2) Bilan des Actions Mécaniques Extérieures (BAME) sur {6, 7}.
- Action mécanique de 5 sur 6 (pivot d’axe ( , )F z ) - Action mécanique de 0 sur 7 (pivot d’axe ( , )H z ) 3) Modélisables avec l’hypothèse problème plan ( , , )E x y par :
5 6
6 5. 0 6 5.F
X x Y y
T 0 7
00 7
H R
T
NB : Avec l'hypothèse problème plan ( , , )E x y , la forme des différents torseurs n’est valable uniquement pour des points du plan de symétrie.
4) Résolution :
Pour se débarrasser de AM07, il faut appliquer le théorème du moment statique en H :
MH S, S 0 :,5 6 ,0 7 0
H H
M M
,5 6 5 6 0
MF HF R
6 5 6 5
(c x. d y. ) ( X .xY . )y 0
6 5 6 5
. . 0
c Y d X
Question 6 : En précisant le système isolé, déterminer une 2ème relation entre X65, Y65, T41, N41 et des données géométriques a, b, et .
1) Isolons {4, 5}.
2) Bilan des Actions Mécaniques Extérieures (BAME) sur {4, 5}.
- Action mécanique de 6 sur 5 (pivot d’axe ( , )F z ) - Action mécanique de 0 sur 5 (pivot d’axe ( , )G z ) - Action mécanique de 1 sur 4
3) Modélisables avec l’hypothèse problème plan ( , , )E x y par :
6 5
6 5. 0 6 5.F
X x Y y
T 0 5
00 5
G
R
T 1 4 1 4. 0 1 4.
E
T x N y
T
MPSI-PCSI Sciences Industrielles pour l’Ingénieur S. Génouël 07/05/2012 4) Résolution :
Pour se débarrasser de AM05, il faut appliquer le théorème du moment statique en G :
MG S, S 0 :,6 5 ,0 5 ,1 4 0
G G G
M M M
,6 5 6 5 ,1 4 1 4 0
F E
M GFR M GER
6 5 6 5 1 4 1 4
( .a xb y. )(X .xY . )y ( .x . )y (T .xN . )y 0
6 5 6 5 1 4 1 4
. . . . 0
aY b X N T
Question 7 : En déduire X65, Y65 et R65 . Faire une application numérique.
Ainsi en reprenant les 2 équations trouvées : 6 5 6 5 1 4 1 4
6 5 6 5
. . . . 0
. . 0
aY b X N T
c Y d X
On détermine facilement 6 5 .( .1 4 . 1 4)
. .
c T N
X a d b c
et 6 5 .( . 1 4 . 1 4)
. .
d T N
Y a d b c
AN : X65 963N et Y65 181N
2 2
6 5 6 5 6 5
R X Y AN : R65 980N
Question 8 : Sachant que la pression d’huile p est de 6 bars, calculer la section utile h S du vérin. u 1) Isolons {6}.
2) Bilan des Actions Mécaniques Extérieures (BAME) sur {6}.
- Action mécanique de 5 sur 6 (pivot d'axe ( , )F z ) - Action mécanique du fluide sur 6 (pression du fluide) - Action mécanique de 7 sur 6 (pivot glissant d’axe (HF)) 3) Modélisables avec l’hypothèse problème plan ( , , )E x y par :
5 6
50 6F R
T
avec R56 suivant l’axe du piston
6
6( ) 0
fluide fluide
P HF
R
T
avec Rfluide6 suivant l’axe du piston (car la pression est uniforme)
7 6
7 6 7 6,7 6 ,7 6
( )
. 0
. 0
P P
P HF
R R HF
avec
M M HF
T
4) Résolution :
Il faut appliquer le théorème de la résultante statique suivant (HF) :
R66 0, pour se débarrasser de AM76 :5 6. fluide 6. 7 6. 0
R HFR HFR HF
5 6. fluide 6. 0 R HFR HF
Or R56 et Rfluide6 sont suivant (HF).
Donc R56 Rfluide6 avec Rfluide6 p Sh. d’où 5 6 980 2 0, 6 1630
h
R
S mm
p
MPSI-PCSI Sciences Industrielles pour l’Ingénieur S. Génouël 07/05/2012 9
Pivot d’axe ( , )O u 1 7i Sphère-plan de
centre Mi et de normale u
2 Pivot glissant d’axe (M xi, 1)
Pivot d’axe ( ,O x1) Fluide
Cmoteur Ressort 8i
Corrigé Exercice 4 : POMPE À PISTONS AXIAUX DU PILOTE HYDRAULIQUE DU LABORATOIRE.
Fonctionnement.
Question 1 : Quel est le rôle de la butée à billes 9 ?
La butée à bille 9 évite le glissement des pistons sur le plateau incliné :
limitation de l’usure des pièces en contact,
augmentation du rendement car moins de résistance au déplacement.
Modélisation.
Question 2 : A partir du schéma cinématique de la pompe, et de la modélisation de quelques actions, donner le graphe de structure de la pompe (pour seulement un piston).
Détermination du couple moteur en fonction de la pression.
Étude du piston 71.
Question 3 : Par une étude « statique » sur le piston 71, exprimer l’action mécanique du corps 9 sur le piston 71 en fonction de la pression P1 (pression au niveau du piston 1).
1) Isolons {piston 71}.
2) Bilan des Actions Mécaniques Extérieures (BAME) sur {piston 71}.
- Action mécanique de 9 sur 71 (sphère-plan de centre M1 et de normale u) - Action mécanique de 2 sur 71 (pivot glissant d’axe ( 1,M x1)) - Action mécanique du ressort 81 sur 71
- Action mécanique du fluide sur 71 Attention un couple moteur
(qui est une action magnétique) s’exerce toujours sur 2 pièces !!!
MPSI-PCSI Sciences Industrielles pour l’Ingénieur S. Génouël 07/05/2012 3) Modélisables par :
9 71
9 71( 1, )
. P M u 0
X u
T
1
2 71 2 71 1
2 71
,2 71 ,2 71 1
( 1, )
. 0
. 0
P P
P M x
R R x
T avec
M M x
1
1 0 1
81 71
( 1, )
. .
P M x 0
k x
T
1
1 1
71
( 1, )
. .
fluide 0
P M x
P S x
T
Attention, ici ce n'est pas un problème plan, les pistons tournent autour de l'axe x1 !!!!
4) Résolution :
Pour se débarrasser de AM271, il faut appliquer le théorème de la résultante statique suivant x1 :
71 71 0 R
9 71 1. 2 71 1. 81 71 1. fluide 71 1. 0
R x R x R x R x
9 71.cos . 1 0 1. 0
X k P S
1 1 0
9 71
. .
cos P S k
X
Étude de l’ensemble {piston 71, barillet 2, ressort 81, fluide}.
Question 4 : Par une étude « statique » sur l’ensemble {piston 71, barillet 2, ressort 81, fluide} les autres pistons n’étant pas pris en compte, exprimer le couple Cm1 (couple moteur minimum nécessaire à l’entraînement du piston 1) en fonction de P1 et 1.
1) Isolons {piston 71, barillet 2, ressort 81, fluide}.
2) Bilan des Actions Mécaniques Extérieures sur {piston 71, barillet 2, ressort 81, fluide}.
- Action mécanique de 9 sur 71 (sphère-plan de centre M1 et de normale u) - Action mécanique du moteur sur 2
- Action mécanique de 1 sur 2 (pivot d’axe ( ,O x1)) 3) Modélisables par :
9 71
9 71( 1, )
. P M u 0
X u
T
1 2
1
0 .
moteur P m
T
C x
1
1 2
1 2 ,1 2 1
( , ) ,1 2
. 0
P P O x P
T R avec M x
M
4) Résolution :
Pour se débarrasser de AM1 2 , il faut appliquer le théorème du moment statique en O en projection sur x1 :
, 0
O S S
M
,9 71 1. moteur,1 2 . 1 ,1 2. 1 0
O O O
M x M x M x
OM1X971.u x
. 1Cm10
X971.ux1
.OM1Cm10 (voir partie 74 produit mixte dans l'annexe 5 calcul vectoriel)
X971. sin .z1
.D2.y2 1 1.x Cm109 71. . sin .cos 1 1 0
2 2 m
X D C
MPSI-PCSI Sciences Industrielles pour l’Ingénieur S. Génouël 07/05/2012
1 9 71. . sin . sin 1 m 2
C X D
1 1 0
1 1
. .
. . sin . sin
cos 2
m
P S k D
C
avec 1 . tan . 1 cos
1
2
D
1 1. . . tan . 1 cos 1 0 . . tan . sin 1
2 2
m
D D
C P Sk
1 1. . . tan 0 . . tan .cos 1 . . tan . sin 1
2 2 2
m
D D D
C P Sk k
2 2
1
1 1 1 0 1
. . tan . sin 2.
. . . tan . sin . tan . . . tan . sin
2 2 2 8
m
D D D k D
C P S k
Relation globale.
Question 5 : Calculer la valeur moyenne, Cm1moyen, du couple Cm1(1) sachant que : - P1 = Pmax si le piston est en phase de refoulement (1
0, ), - P1 = 0 si le piston est en phase d’admission (1
,2
)2
1 1 1 1
0
1 ( ).
m moy 2 m moy
C C d
2 2
2 1
1 max 1 1 0 1 1
0 0
. . tan . sin 2.
1 . . . tan . sin . . tan . . . tan . sin .
2 2 2 2 8
m moy
D D D k D
C P S d k d
1 max 1
0
1 . . . tan .cos
2 2
m moy
C P S D
max 1
. . . tan
m moy 2.
P S D
C
Question 6 : En déduire la valeur moyenne Cmmoyen du couple nécessaire à l’entraînement de la pompe à six pistons.
On en déduit couple moyen de la pompe à six pistons : max. . . tan
6. 2.
m moy
P S D
C
Question 7 : Faire l’application numérique puis tracer la fonction Cmmoyen(Pmax) pour : 0 < Pmax < 25 bars (on prendra 11).
7
10 . max m moy
C P
MPSI-PCSI Sciences Industrielles pour l’Ingénieur S. Génouël 07/05/2012 0
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
0 5 10 15 20 25
Pression (bars) Couple moyen en N.m