JLB TP 3 – Compresseur – Intro méca3D Contexte 1

TP 3 – COMPRESSEUR – INTRO MECA3D

1 CONTEXTE

La chaîne fonctionnelle du compresseur est donnée ci-contre.

On s’intéresse

dans ce TD à la

transformation

de mouvement

bielle-manivelle.

Lors du TP2 nous avons utilisé SolidWorks pour réaliser les pièces de la transformation de mouvement bielle-manivelle compresseur. Vous avez tous réalisé la bielle et le piston, quelques uns d’entre vous ont même réalisé la masse d’équilibrage de la manivelle.

Nous allons repartir de là.

Pour le la simulation que nous allons construire, nous ne prendrons donc pas en compte le moteur et le réducteur.

Vous disposez dans le répertoire de travail « mini compresseur » des principaux éléments constitutifs de la transformation de mouvement :

- support moteur, palier1, palier2 et cylindre → ils constituent l’ensemble « bâti 0 »,

- axe, masse vilo et maneton → ils constituent l’ensemble « manivelle 1 »,

- piston et axe piston → ils constituent l’ensemble « piston 3 »,

- bielle → constitue à elle seule l’ensemble « bielle 2 ».

Le répertoire consacré à un système contient les modèles volumiques associés à chaque pièce : « piècei.SLDPRT » et aux assemblages de pièces : « assemblagek.SLDSAM »

Ces assemblages sont obtenus par contraintes. Une contrainte traduit une condition géométrique particulière : par exemple plan1 de la pièce1 tangent à plan2 de la pièce2, etc …

Le premier travail consistera donc à réaliser les sous ensembles iso-cinématiques, c'est-à-dire les sous ensemble que l’on peut assimiler à un seul solide parce qu’ils sont constitués de pièces qui n’ont pas de mouvement relatifs.

2 TP 3 – Compresseur – Intro méca3D Assemblage des sous ensembles 0, 1, 2 et 3 JLB

2 ASSEMBLAGE DES SOUS ENSEMBLES 0, 1, 2 ET 3

Nous allons commencer par construire le bâti :

� Fichier → Nouveau → Assemblage :

Sélectionnez à l’aide du panneau latéral les pièces qui vous intéressent pour le bâti.

� Parcourir → support moteur → ouvrir

Attention, le support apparaîtra lié la souris, cliquer gauche pour déposer sur le calque. Faites ensuite « tourner la vue » jusqu’à disposer le support comme vous l’entendez. Puis …

� insérer des composants → cylindre

→ ouvrir

Le cylindre n’est pas du tout là où vous souhaiteriez qu’il soit …

C’est à présent que nous allons imposer des contraintes.

� Sélectionnez en « cliquant dessus » les deux surfaces

indiquées puis → contraintes

Les deux pièces vont changer de position car le logiciel va tout seul proposer la contrainte la plus adaptée : coaxiale

� Validez.

Vous noterez que si vous cliquez à présent sur le cylindre pour le déplacer, il se déplace sur le même axe. Il faut donc à présent définir à quelle hauteur le cylindre se trouve.

Déplacez celui-ci de façon à l’élever au dessus du support.

JLB TP 3 – Compresseur – Intro méca3D Construction du modèle mécanique 3

En fait le cylindre s’appuie sur un épaulement (un plan d’appui) du support moteur.

� Sélectionnez en « cliquant dessus » l’arrête au bas du cylindre puis la surface plane

du support sur laquelle s’appuie l’arrête puis → contrainte

Le logiciel vous proposera « coïncidente ».

� Valider.

Il ne vous reste plus qu’à ajouter les deux paliers à cet assemblage pour obtenir le bâti. Là encore, choisissez les bonnes surfaces pour réaliser les contraintes. Je vous suggère de définir une coupe afin de mieux localiser les surfaces de contact entre le support et les paliers.

� Sauvegardez l’assemblage sous un nom « significatif » : bati0 par exemple.

� Fermez cet assemblage et réalisez ceux de l’axe et du piston que vous sauvegarderez aussi sous les noms axe1 et piston3. Il est inutile de réaliser un assemblage pour la bielle constituée d’une unique pièce.

� Réalisez l’assemblage final à l’aide des sous assemblages précédents et de la bielle.

� Sauvegardez cet assemblage global sous le nom « compresseur ».

L’étape suivante consistera à exploiter le module Méca3D de Solidworks pour définir les assemblages précédents comme des « pièces » d’un mécanisme, les liaisons entre ces pièces ainsi que les charges extérieures. Nous pourrons ainsi réaliser une étude mécanique complète du système.

3 CONSTRUCTION DU MODELE MECANIQUE

Ouvrez l’assemblage : compresseur.SLDSAM.

Après mise en coupe, vous devez avoir le modèle ci-contre à l’écran :

L’assemblage est réalisé sous contraintes et celles-ci sont en permanence respectées. Lorsque vous faites tourner l’arbre par rapport au bâti (seul mouvement possible pour celui-ci) tout le mécanisme doit s’animer et en particulier, le piston translate.

Vous allez à présent construire le modèle mécanique, c'est-à-dire déclarer des pièces et des liaisons.

4 TP 3 – Compresseur – Intro méca3D Construction du modèle mécanique JLB

3.1 Déclaration des pièces

Pour cela, cliquez sur l’icône Méca3D.

� Commencez par déclarer les pièces dans l’ordre :

bâti0 – arbre1 – bielle – piston3.

Pour cela vous cliquez droit sur « pièces », un menu contextuel qui comporte l’option « ajouter » apparaît alors.

En validant, un second menu apparaîtra au milieu de l’écran qui permet effectivement d’ajouter les pièces. Pour ajouter il suffit d’aller de cliquer sur la pièce dans sur la vue 3D.

Vous pouvez aussi ré-ouvrir le menu assemblage dans lequel les sous ensembles sont présent.

Lorsqu’une pièce est sélectionnée son nom apparaît dans le menu, validez en ajoutant.

Lorsque c’est terminé fermez la fenêtre ; vos quatre pièces doivent être présentes sous l’icône pièce.

On va procéder de même pour les liaisons.

Il est possible de procéder à une construction automatique mais le résultat est imparfait et il est en général nécessaire de le reprendre ce qui peut s’avérer très pénible.

Vous noterez qu’un repère a été associé à chaque pièce (x avec une flèche, y avec deux flèches et z avec 3 flèches).

Un clic droit sur une pièce vous permet d’accéder à ses propriétés cinétiques (masse, position du centre de gravité dans sa base vectorielle associée à la pièce …).

Il est possible de choisir les matériaux des pièces, pour cela retournez dans le menu assemblage et ouvrez l’arborescence associée à chaque sous ensemble. Pour l’arbre par exemple vous retrouverez l’axe, la masse d’équilibrage et le maneton. Chacun de ces composants vous offre la possibilité de déclarer le matériau que vous souhaitez. Un clic droit permet d’éditer les matériaux : choisissez dans la liste des matériaux DIN (norme) de Solidworks (vous noterez que vous avez les caractéristiques de chaque matériau). Ici tous les composants sont en acier (acier de construction, le premier de la liste convient), sauf la bielle et le piston (mais son axe est en acier) qui sont en alliage d’aluminium (là encore le premier de la liste convient). La seule chose qui nous importe vu le contexte est de respecter les masses volumiques : nous ne faisons pas une étude de résistance.

Enregistrez votre modèle pour que les modifications soient prises en compte.

JLB TP 3 – Compresseur – Intro méca3D Construction du modèle mécanique 5

3.2 Déclaration des liaisons

La déclaration des liaisons procède de la même logique. Lorsque vous cliquez sur liaisons – ajouter le menu ci-contre apparait dans la fenêtre principale.

� Choisissez votre liaison (commencez par un pivot) puis « suivant ».

� Sélectionnez alors les 2 pièces concernées (soit sur la vue du mécanisme soit dans les pièces présentes dans l’arborescence

� « suivant ».

Normalement Solidworks vous propose ensuite de déclarer les éléments de réductions de la liaison. Ici, pour le pivot glissant entre piston et bâti il vous proposera une contrainte coaxiale. Lorsque vous la choisissez en cliquant, si elle est correcte, un petit drapeau vert le signale.

� Validez.

C’est terminé pour cette liaison.

Ajoutez toutes les liaisons permettant de réaliser un modèle le plus proche possible du réel.

6 TP 3 – Compresseur – Intro méca3D Simulation … Enfin ! JLB

4 SIMULATION … ENFIN !

Une icône « analyse » vous permet de savoir ce qui est possible en matière d’étude.

Vous avez ainsi accès au graphe de structure : vérifiez qu’il correspond à ce que vous souhaitiez.

Enfin « calcul mécanique » vous propose différents types d’étude.

4.1 Etude cinématique.

Définissez la liaison d’entrée du mouvement (ici le pivot entre bâti0 et arbre1) la direction du mouvement et sa valeur. Vous devrez choisir le bon axe (théoriquement l’axe z compte tenu de l’assemblage initial). La vitesse de rotation maxi est de 600 trs par minute (rapport de réduction 1/6.1 entre la roue et le pignon déjà appliqué). La durée du mouvement peut donc durer 0.1 s (pour voir une révolution complète). Choisissez 180 pts de calcul pour avoir une bonne fluidité. Et lancez le calcul. Lorsque c’est fini, sortez.

Vous avez maintenant accès aux résultats (résultats scénario 1) : un clic droit vous offrira au menu : simulation, courbes, torseurs cinématiques …

Commencez par choisir simulation, cela ouvrira l’habituel bandeau de type magnétoscope (avance, arrêt, pause …). Et regardez comme c’est beau quand ça bouge.

Vous pouvez ensuite consulter les courbes associées à chacune des liaisons ou des pièces (choisissez puis dans les cases adéquates, définissez les pièces ou liaisons qui vous intéressent en cliquant sur celles que vous avez définies dans Méca3D.

Enfin, vous avez la possibilité dans les résultats de définir des courbes qui vous intéressent spécifiquement pour les consulter directement lors de chaque simulation. Il faut pour cela les ajouter. Le résultat n’est pas différent de ce que vous avez obtenu plus haut mais il sera possible de définir des courbes superposées, etc …

On demande :

1. Allure et valeurs maxi de la courbe de position du piston / bâti

2. Allure et valeurs maxi de la courbe de vitesse du piston / bâti

3. Allure et valeurs maxi de la courbe d’accélération du piston / bâti

4. Allures et valeurs maxi des vitesses sans chaque liaison

LES RESULTATS DEMANDES SERONT TRACES PROPREMENT SUR FEUILLES EN INDIQUANT LES VALEURS SIGNIFICATIVES.

JLB TP 3 – Compresseur – Intro méca3D Correction 7

5 CORRECTION

Le modèle une fois construit donne :

J’ai réalisé un bâti coupé de façon que l’on voie l’intérieur du mécanisme. La seule différence entre le modèle que vous avez construit et le mien est que j’ai mis un pivot glissant entre l’axe et la bielle (plutôt qu’un pivot), ce qui correspond mieux à la réalité car la bielle est bloquée en translation par le piston et non par l’arbre.

A noter tout de suite : le mouvement se répète à chaque tour de l’arbre d’entrée, les

courbes obtenues sont donc périodiques, de période 0.1 s puisque la vitesse de l’arbre d’entrée est 600 trs/mn soit 1 tour pour 0.1 s.

8

TP

3 –

Co

mp

resse

ur –

Intro

méca3

D

Co

rrectio

n

JL

B

Temps(s) (x 10e-1)

0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000

Un

ités (

x 1

0e

+1

)

-4.0

00

-3

.00

0

-2.0

00

-1

.00

0

0.0

00

1

.00

0

2.0

00

Position [Gy(m)] de piston3<1> <x 1000.00> Vitesse [Vy(m/s)] de piston3<1> <x 40.00>

Accélération [Ay(m/s²)] de piston3<1> <x 0.50>

JLB TP 3 – Compresseur – Intro méca3D Correction 9

Lecture des échelles :

Abscisse : Axe du temps, échelle (×10e-1 = 0.1). Cela signifie qu’il faut multiplier les graduations par 0.1, ainsi, 0.400 sur l’axe d’abscisse est en fait 0.4×0.1 = 0.04 (s)

Ordonnée : Axe multiple, échelle (×10e+1=10) ce qui signifie que 2.000 correspond à 2×10=20. On fait figurer plusieurs courbes sur le même graphe, dont les amplitudes sont très différentes. Dans notre cas, si on utilisait le même grossissement pour chaque courbe, on ne verrait pratiquement pas la courbe de position.

Pour la position par exemple, l’échelle de la courbe est ×1000, ce qui signifie que chaque valeur de position a été multipliée par 1000. Ainsi, la valeur lue correspond à 1000 fois la valeur de la position.

Finalement pour position : 2×10e+1=1000×position soit position = 20/1000=0.02 m

Pour vitesse (échelle ×40) : 2×10e+1=40×vitesse soit vitesse = 20/40=0.5 m/s

Pour accélération (échelle ×0.5) : 1×10e+1=0.5×accélération soit accélération = 10/0.5=20 m/s².

Valeurs significatives sur la courbe.

Courbe Position Vitesse Accélération

Maxi 0.0227 m (0.006 s) 0.579 m/s (0.084 s) 27.536 m/s² (0.056 s)

Mini 0.0047 m (0.056 s) - 0.579 m/s (0.028 s) -43.524 m/s² (0.006 s)

Milieu 0.0137 m (0.029 s)

0 0.006 s et 0.056 s 0.028 s et 0.084 s

A noter : La position du piston varie entre 0.0227 et 0.0047 soit une course de 0.027 –

0.0047 = 0.018 m. Nous verrons que cela correspond logiquement à 2×excentricité.

La vitesse du piston par rapport au bâti est nulle lorsque la position du piston par

rapport au bâti est maxi (point mort haut) ou mini (point mort bas).

Est-ce normal ? Physiquement on comprend bien que le maximum de la position du piston correspond au moment où le piston cesse de monter avant de commencer à redescendre. La vitesse est positive (il monte), elle s’annule (point mort haut) avant de devenir négative (il descend). Cette notion de positive ou négative dépend bien sur de l’orientation de l’axe (sens + de bas en haut).

On sait que la vitesse est définie comme temps

positionVitesse

∆

∆= (m/s). Lorsque l’on atteint

le point mort haut (sommet de la courbe), la position ne varie pas entre deux instant

successifs très rapproché, on a donc ∆position = 0 ce qui donne 0temps

0V =

∆= .

Il en va de même pour le point mort bas.

10 TP 3 – Compresseur – Intro méca3D Correction JLB

On observe le même phénomène avec temps

VitesseonAccélérati

∆

∆= (m/s²). Ainsi lorsque la

vitesse atteint son maximum et ne varie pratiquement plus (sommet de la courbe) l’accélération est nulle.

Lorsque la vitesse est définie par temps

positionVitesse

∆

∆= et que ∆t est très petit, on parle

de vitesse instantanée. C’est la vitesse à un instant donné.

La vitesse moyenne est quant à elle calculée sur un cycle. Si la vitesse est de 600 trs/mn, cela signifie que chaque tour dure 0.1 s. Pour un tour le piston effectue un aller-retour soit 2×courses = 2×0.018 = 0.036 m. Ce qui donne une vitesse moyenne

de 36.01.0

036.0Vitesse == m/s.

On aurait aussi pu considérer que 600 tours / mn → 600 allers-retours / mn soit V = 600×2×0.018=21.6 m/mn ce qui donne évidemment le même résultat que précédemment lorsque l’on convertit en m/s.