Date : Vendredi 17 Janvier 2014

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Département GMC 1/15 Automne 2013 Signature :

Date : Vendredi 17 Janvier 2014

CP43 – Conception Mécanique Assistée par Ordinateur Examen : Final

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Niveau :

Consignes

Aucun document autorisé Calculatrice autorisée

Smartphones, téléphones, tablettes … interdits.

Le sujet est composé de trois parties indépendantes.

Les réponses se feront uniquement sur les feuilles du sujet.

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1. Démarches de conception de produit et prototypage

1.1. Donner une définition du cycle de vie d’un projet.

1.2. Proposer sous forme de schéma un modèle de cycle de vie possible en incluant les phases principales de ce modèle.

1.3. En prototypage rapide, quel est le principe qui permet de passer du modèle CAO à la pièce concrète obtenue par la machine de prototypage et ce quelle que soit la technologie retenue ?

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2. Technologie et dimensionnement

2.1. Dans quel cas utilise-t-on une étanchéité par chicanes? Proposer un schéma d’un dispositif à chicanes.

2.2. On souhaite effectuer une liaison complète, réversible ou irréversible, entre deux solides. Proposer trois procédés d’assemblage pouvant être employés.

2.3. Quelle est la géométrie du champ de pression d’un assemblage par vissage ?

2.4. Proposez schématiquement deux solutions de transmission de mouvement permettant à partir d’une rotation continue d’obtenir une translation alternative.

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2.5. On se propose d’étudier les jeux fonctionnels, b et d, de la Figure 1.

2.5.1. Préciser l’utilité de ces deux jeux fonctionnels.

2.5.2. Tracer sur la Figure 1, en utilisant deux couleurs différentes, les chaines de côtes des jeux fonctionnels, b et d. On fait l’hypothèse que les roulements sont sans jeu et de dimensions constantes.

Figure 1 : Détails d’un réducteur

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3. Réducteur marin

Le sujet qui suit porte sur l’étude d’un réducteur – inverseur marin. Il comporte 5 annexes et un plan de coupes brisées au format A3.

Les réducteurs marins sont installés à bord de navires de haute mer ou fluviaux, de bateaux de pêche ou de remorqueurs. Les documents font référence à un modèle de puissance d’entrée de 400 kW à 1800 tr/min en fonctionnement nominal.

La Figure 2 indique le schéma de la ligne de propulsion.

Figure 2 : Schéma de la ligne de propulsion

L'arbre d'entrée 1 entraîne, en marche arrière, deux arbres intermédiaires 34 et, en marche avant, un seul arbre intermédiaire 34. Les embrayages E2 et E1 sont commandés respectivement par les distributeurs hydrauliques D2 et Dl permettant ainsi de sélectionner soit la marche avant, soit la marche arrière. L'arbre de sortie 30 entraîne directement l'hélice.

Pour la marche avant, une butée d'hélice 28 est incorporée sur l’arbre de sortie 30.

3.1. Analyse du mécanisme

3.1.1. Quelle est la nature de la liaison entre les solides 9 et 41 ? Comment cette liaison est-elle réalisée ?

3.1.2. Quel type de lubrification est employé dans ce système ? Justifier votre réponse.

3.1.3. Dans quel type de montage de roulements sont employés les roulements 33 ? Dans ce cas précis, comment les arrêts axiaux sont-ils réalisés sur le roulement de gauche (le plus proche de la pièce 35)?

Moteur P = 400 kW N = 1800 tr/min

Réducteur

Inverseur Hélice

Zone d’étude

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3.2. Détermination des lois « Entrée-Sortie » du mécanisme

3.2.1. A partir du plan de coupe A3, calculer le rapport de transmission, k_av, du réducteur pour un fonctionnement en marche avant. En déduire la vitesse de rotation de l’hélice pour ce fonctionnement à la vitesse nominale du moteur.

3.2.2. A partir du plan de coupe A3, calculer le rapport de transmission, k_ar, du réducteur pour un fonctionnement en marche arrière. Il est à noter que deux roues dentées 36 interviennent dans le mécanisme. En déduire la vitesse de rotation de l’hélice pour ce fonctionnement à la vitesse nominale du moteur.

3.2.3. Quelle conclusion pouvez-vous en tirer ?

3.3. Détermination des efforts transmis.

On considère que le rendement par engrenage, η, est de 0.98. Les autres frottements sont négligés. Le mode de fonctionnement considéré est la marche avant à la vitesse nominale du moteur.

3.3.1. Calculer les moments transmis :

 par l’arbre 1, Me,

 par l’arbre intermédiaire 34, Mi

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 par l’arbre 30, Ms.

3.3.2. On rappelle que :

 - les relations entre les composantes de l’effort sur une denture hélicoïdale :

 Composante tangentielle : T

 Composante axiale : A = T tan

 Composante radiale : R = T tan / cos

 - les caractéristiques du pignon 29 :

 Denture hélicoïdale à droite,

 Angle de pression,  = 20°

 mn = 0.0035 m, mt = mn / cos et Dp= mt.Z (Diamètre primitif)

3.3.2.1. Exprimer les efforts de 34  29 en fonction du moment, Ms et des caractéristiques du pignon 29.

3.3.2.2. Effectuer les applications numériques

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3.4. Choix des roulements à rotule sur rouleaux 27 et 31.

On considère que le bateau est utilisé à 100 % en marche avant. La vitesse de rotation de l’hélice est de 385 tr/min. La durée de vie souhaitée de chaque roulement est 22 000h avec une fiabilité de 90%. Le catalogue de roulements à rotule sur rouleaux à alésage cylindrique est fourni en annexe2. Le roulement 31 est monté sur un arbre de diamètre 70 mm et le roulement 27 sur un arbre de diamètre 80 mm. Les charges sont considérées tournantes par rapport à l’arbre et fixes par rapport au logement (alésage extérieur).

3.4.1. Le roulement 31 supporte uniquement une charge radiale d’amplitude 48000N.

3.4.1.1. Effectuer le choix du roulement à alésage cylindrique. Justifier votre choix.

3.4.1.2. Définir les ajustements de montage nécessaires en faisant l’hypothèse que la bague extérieure est montée coulissante. Justifier votre choix.

3.4.2. Dans le montage présenté, la butée 28, encaisse complétement la charge axiale.

Le roulement 27 supporte donc uniquement une charge radiale d’amplitude 18000N.

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3.4.3. On propose une nouvelle architecture de montage. La butée 28 est retirée. A présent, le roulement 27 supporte donc une charge radiale d’amplitude 24200N et une charge axiale d’amplitude 16000N.

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3.4.4. Calculer les durées de vie de l’ensemble de roulements pour les deux configurations proposées (avec et sans butée).

3.4.5. Conclure sur l’utilité de la butée 28.

3.4.6. Concernant le roulement 27, les concepteurs ont fait le choix d’utiliser le roulement à alésage cylindrique de référence 22316 CC/W33 en plus de la butée 28. Justifier ce choix par rapport aux modes de fonctionnement possibles du réducteur.

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Annexe 1 : Définition des plans de coupes brisées du plan A3

(Echelle réduite)

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Annexe 2 : Roulements à rotule sur rouleaux

(Extrait du catalogue SKF)

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Annexe 3 : Ajustements recommandés pour les roulements

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Annexe 4 : Formules de calcul de durée de vie de roulements

Avec

 C : charge dynamique de base, (N)

 P : charge dynamique équivalente, (N)

 n : exposant qui est fonction du contact entre pistes et éléments roulants

o n = 3 pour les roulements à billes

o n = 10/3 pour les roulements à rouleaux

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Date : Vendredi 17 Janvier 2014