COURS DE MÉCANIQUE GÉNÉRALE, 2ÈME ANNÉE HUMANITÉS TECHNIQUES, OPTION MÉCANIQUE AUTOMOBILE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC.

0. PRÉLIMINAIRES ET CADRE PÉDAGOGIQUE 🛠️

0.1. Objectifs Généraux du Cours

Ce programme de Mécanique Générale pour la 2ème année (équivalent à la 4ème des Humanités selon l’ancienne appellation) a pour but fondamental de consolider les bases physiques indispensables à la compréhension des systèmes automobiles. L’élève doit acquérir une maîtrise conceptuelle des lois régissant le mouvement, l’énergie et la transmission de puissance. Ces acquis constituent les prérequis obligatoires pour aborder avec succès les cours de résistance des matériaux et d’éléments de machines dispensés ultérieurement. L’objectif final est de rendre l’apprenant capable d’analyser le comportement cinématique et dynamique des organes mécaniques d’un véhicule, du moteur à la roue.

0.2. Directives Méthodologiques

L’enseignement de cette matière doit privilégier l’observation directe et l’expérimentation concrète. Le professeur s’efforcera de relier chaque principe théorique, tel que le travail ou la puissance, à des applications visibles dans l’atelier de mécanique automobile. L’étude des machines simples et des transmissions doit s’appuyer sur la manipulation de maquettes ou de pièces réelles (poulies, boîtes de vitesses ouvertes, crics) pour visualiser les rapports de transmission et les avantages mécaniques.

0.3. Sécurité et Normes

L’application des forces et l’utilisation de machines de levage impliquent des risques inhérents. Ce cours intègre une sensibilisation stricte aux normes de sécurité lors de l’utilisation de palans, de crics et de treuils. L’élève doit comprendre les limites de charge et les dangers liés à la rupture d’équilibre ou à la défaillance des systèmes de transmission par câbles et chaînes.

0.4. Matériel Didactique Requis

Pour atteindre les objectifs fixés, l’établissement doit disposer d’un laboratoire de mécanique équipé de bancs d’essai pour les poulies et les leviers, de dynamomètres, de maquettes d’engrenages et de coupes pédagogiques d’organes de transmission automobile (différentiel, direction à crémaillère). L’utilisation de matériel de récupération issu de garages locaux est fortement encouragée pour l’étude technologique.

PARTIE 1 : DYNAMIQUE ET ÉNERGÉTIQUE APPLIQUÉES 🏎️

Cette première partie établit les fondements de la dynamique en quantifiant les effets des forces sur le mouvement des véhicules. Elle explore les concepts de travail, de puissance et d’énergie, essentiels pour comprendre les performances d’un moteur et l’efficacité du freinage. L’élève apprend à calculer les forces nécessaires pour déplacer des charges et à évaluer l’énergie cinétique d’un véhicule en mouvement, notion cruciale pour la sécurité routière sur les axes comme la route nationale numéro 1 reliant Matadi à Kinshasa.

Chapitre 1 : Le Travail Mécanique

1.1. Définition et formule fondamentale du travail

Le travail mécanique se définit comme le produit scalaire d’une force par le déplacement de son point d’application dans la direction de cette force. L’élève analyse la formule  et ses implications pratiques. Nous étudions les cas où le travail est moteur, résistant ou nul.

1.2. Unités de mesure et conversions

L’unité légale du travail est le Joule (J). Ce sous-chapitre traite des conversions nécessaires avec les anciennes unités techniques encore présentes dans certains manuels d’atelier, comme le kilogrammètre (kgm). La maîtrise de ces conversions est vitale pour l’interprétation des données techniques constructeurs.

1.3. Travail des forces de pesanteur

Analyse spécifique du travail effectué par le poids d’un corps lors d’un déplacement vertical, par exemple lors du levage d’un moteur par une chèvre d’atelier. Le calcul  permet de déterminer l’énergie requise pour élever des charges lourdes dans les garages.

1.4. Travail des forces de frottement

Étude du travail résistant généré par les forces de friction. L’élève apprend que ce travail est toujours négatif et se dissipe sous forme de chaleur, principe fondamental du système de freinage automobile où l’énergie cinétique est convertie en calories au niveau des disques et tambours.

Chapitre 2 : La Puissance Mécanique

2.1. Concept de puissance et débit d’énergie

La puissance représente la rapidité avec laquelle un travail est effectué. Nous définissons la relation  et son corollaire pour un mouvement uniforme . Cette notion permet de différencier un moteur capable d’accélérer rapidement d’un autre moins performant.

2.2. Le Cheval-vapeur et le Watt

Comparaison des unités de puissance : le Watt (W) du système international et le Cheval-vapeur (ch ou CV) couramment utilisé dans l’automobile. L’élève apprend à convertir ces valeurs (1 ch ≈ 736 W) pour comprendre les fiches techniques des véhicules importés en RDC.

2.3. Rendement des machines

Introduction au concept de rendement (), rapport entre la puissance utile et la puissance absorbée. L’analyse des pertes mécaniques par frottement et chaleur permet de comprendre pourquoi la puissance aux roues est toujours inférieure à la puissance au vilebrequin.

2.4. Mesure de la puissance moteur

Aperçu des méthodes de mesure de la puissance (bancs d’essai). Distinction entre puissance fiscale (utilisée par la DGI) et puissance réelle (DIN, SAE).

Chapitre 3 : L’Énergie Mécanique

3.1. Énergie Cinétique de translation

L’énergie cinétique est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. La formule  met en évidence l’influence prépondérante de la vitesse sur la violence des chocs, un concept clé pour la sécurité routière.

3.2. Énergie Potentielle de pesanteur

L’énergie potentielle est l’énergie stockée par un corps du fait de sa position en hauteur. Application au véhicule placé sur un pont élévateur hydraulique : calcul de l’énergie libérée en cas de chute accidentelle.

3.3. Conservation et transformation de l’énergie

Principe de conservation de l’énergie mécanique en l’absence de frottements. Étude des transferts entre énergie potentielle et cinétique, illustrée par un véhicule descendant une pente dans les collines du Kivu.

3.4. Énergie cinétique de rotation

Extension du concept d’énergie cinétique aux pièces tournantes (volant moteur, roues). L’inertie de rotation joue un rôle crucial dans la régularité cyclique du moteur thermique.

Chapitre 4 : Dynamique du Mouvement et Résistances

4.1. Force Centrifuge et Centripète

Analyse des forces agissant sur un véhicule en virage. La force centrifuge tend à écarter le véhicule de sa trajectoire, tandis que la force centripète (adhérence des pneus) le maintient. Calcul de l’intensité .

4.2. Stabilité et dérapage

Étude des conditions de limite d’adhérence dans les virages. Influence de la vitesse, du rayon de courbure et de l’état de la chaussée (pistes boueuses de l’Équateur vs asphalte de Lubumbashi) sur la tenue de route.

4.3. Résistance au glissement (Frottement)

Lois de Coulomb sur le frottement sec. Distinction entre coefficient de frottement statique et dynamique. Application à l’embrayage (nécessité d’adhérence) et aux pistons (nécessité de glissement).

4.4. Résistance au roulement

Étude de la résistance opposée par la déformation du pneu au sol. Analyse de l’influence de la pression de gonflage sur la consommation de carburant et l’échauffement des pneumatiques sur les longs trajets.

PARTIE 2 : MACHINES SIMPLES ET SYSTÈMES DE LEVAGE 🏗️

Cette partie se concentre sur les dispositifs mécaniques élémentaires permettant de multiplier les forces. L’étude des poulies, moufles, palans et treuils est essentielle pour le mécanicien qui doit régulièrement manipuler des charges lourdes (moteurs, boîtes de vitesses) avec un effort humain limité. La maîtrise de ces outils garantit l’efficacité et la sécurité des opérations de manutention dans les ateliers de réparation, des plus modernes aux plus artisanaux.

Chapitre 5 : Les Poulies

5.1. La Poulie Fixe

Description de la poulie fixe qui change la direction de la force sans en modifier l’intensité. Analyse de l’équilibre des moments et de l’utilité ergonomique pour l’opérateur.

5.2. La Poulie Mobile

Étude de la poulie mobile qui permet de diviser l’effort par deux au prix d’un déplacement double de la corde. Démonstration vectorielle de la répartition de la charge sur les brins.

5.3. Association de poulies

Combinaison de poulies fixes et mobiles pour optimiser le levage. Calcul du rapport de transmission et de l’avantage mécanique obtenu.

5.4. Rendement des poulies

Prise en compte des frottements au niveau de l’axe et de la rigidité des cordes ou câbles qui diminuent l’efficacité réelle du système par rapport au modèle théorique.

Chapitre 6 : Moufles et Palans

6.1. Le Moufle d’Archimède

Analyse du moufle constitué de deux groupes de poulies (fixes et mobiles) avec une seule corde. Calcul de l’effort moteur  où  est le nombre de brins porteurs.

6.2. Le Palan différentiel

Étude des palans à chaînes utilisés couramment dans les garages pour sortir les moteurs. Principe de fonctionnement basé sur la différence de diamètres des poulies motrices.

6.3. Calculs pratiques de levage

Exercices d’application sur le dimensionnement d’un palan pour soulever un moteur diesel de camion. Vérification des capacités de charge et des coefficients de sécurité.

6.4. Maintenance des appareils de levage

Procédures d’inspection des chaînes, des crochets et des axes de poulies. Importance du graissage pour maintenir un bon rendement et prévenir la corrosion due à l’humidité tropicale.

Chapitre 7 : Le Treuil et le Cric

7.1. Théorie du Treuil

Description du treuil composé d’un tambour et d’une manivelle. Application de la loi des moments : le produit de la force par le bras de manivelle égale le produit de la charge par le rayon du tambour.

7.2. Treuils manuels et électriques

Comparaison technologique entre les treuils actionnés à la main (dépanneuses légères) et les treuils électriques (4×4 off-road). Étude des systèmes de réduction associés.

7.3. Le cric à vis et à crémaillère

Analyse mécanique des crics utilisés pour le changement de roue. Transformation du mouvement circulaire en mouvement rectiligne avec une grande démultiplication de force.

7.4. Sécurité des treuils

Systèmes de freinage et de cliquet anti-retour pour empêcher la descente accidentelle de la charge. Précautions lors de l’enroulement du câble pour éviter les pincements et les fouettements.

Chapitre 8 : Autres Machines Simples et Applications

8.1. Le Plan Incliné

Principe du plan incliné permettant de monter une charge avec un effort réduit. Application aux rampes de chargement pour faire monter des véhicules sur des plateaux de dépannage.

8.2. Le Levier

Classification des leviers (inter-appui, inter-résistant, inter-moteur). Applications multiples dans l’outillage automobile : clés, pinces, démonte-pneus, pédales de frein.

8.3. Le Coin

Analyse du coin comme double plan incliné portatif. Utilisation pour séparer des pièces assemblées ou pour le calage de sécurité.

8.4. Synthèse : La chèvre d’atelier

Étude complète de la grue d’atelier hydraulique (chèvre), combinant vérin (hydraulique), levier (bras de flèche) et parfois treuil ou chaîne, outil central de la grosse mécanique.

PARTIE 3 : TRANSMISSION ET TRANSFORMATION DE MOUVEMENT ⚙️

Cette dernière partie explore le cœur de la mécanique automobile : comment transmettre la puissance du moteur aux roues et aux accessoires. Elle couvre les transmissions par adhérence (courroies) et par obstacle (engrenages, chaînes). L’élève découvre la diversité des solutions technologiques pour adapter la vitesse et le couple, depuis la distribution moteur jusqu’à la direction, en passant par la boîte de vitesses. Ces connaissances sont indispensables pour le diagnostic et la réparation des chaînes cinématiques.

Chapitre 9 : Transmission par Liens Flexibles (Adhérence)

9.1. Transmission par courroies plates et trapézoïdales

Principe de transmission par adhérence entre poulie et courroie. Calcul du rapport de transmission en fonction des diamètres. Avantages des courroies trapézoïdales pour l’entraînement de l’alternateur et de la pompe à eau.

9.2. Tension et glissement des courroies

Nécessité d’une tension initiale pour assurer l’adhérence. Phénomène de glissement et de rampage. Procédures de réglage de la tension des courroies d’accessoires.

9.3. Les courroies crantées (synchrones)

Étude des courroies de distribution qui transmettent le mouvement sans glissement grâce à des dents. Importance cruciale du calage pour la synchronisation vilebrequin-arbre à cames.

9.4. Les Roues de Friction

Transmission par contact direct entre deux cylindres ou cônes. Utilisation limitée en automobile mais principe fondateur pour comprendre l’adhérence pneu-route.

Chapitre 10 : Transmission par Obstacle (Chaînes et Engrenages)

10.1. Transmission par Câbles et Chaînes

Fonctionnement des transmissions par chaînes à rouleaux et pignons dentés. Robustesse de ce système pour la distribution des moteurs diesel et la transmission finale des motos.

10.2. Engrenages Droits à denture extérieure

Description des roues dentées cylindriques à denture droite. Définition du module, du pas et du diamètre primitif. Calcul du rapport de transmission . Usage dans les boîtes de vitesses (marche arrière).

10.3. Engrenages Droits à denture intérieure

Principe et application dans les pompes à huile et les trains épicycloïdaux des boîtes automatiques. Compacité du système.

10.4. Lubrification des engrenages

Rôle vital de l’huile pour réduire le frottement, évacuer la chaleur et amortir les chocs entre les dents. Conséquences d’un défaut de lubrification (usure, bruit, rupture).

Chapitre 11 : Engrenages Spéciaux et Réducteurs

11.1. Engrenages Hélicoïdaux

Avantages de la denture inclinée : progressivité de l’engrènement, silence de fonctionnement et capacité de charge accrue. Génération de poussées axiales nécessitant des roulements adaptés. Standard des boîtes de vitesses manuelles.

11.2. Engrenages Coniques

Transmission de mouvement entre arbres concourants (généralement perpendiculaires). Application au couple conique du différentiel (pont arrière). Distinction entre denture droite et hypoïde.

11.3. Système Vis sans fin et Roue tangente

Transmission entre arbres orthogonaux non concourants. Rapport de réduction très élevé et irréversibilité du mouvement. Application historique aux directions et aux treuils de secours.

11.4. Le Différentiel

Fonctionnement du mécanisme permettant aux roues motrices de tourner à des vitesses différentes en virage. Combinaison de pignons satellites et planétaires.

Chapitre 12 : Transformation de Mouvement

12.1. Système Pignon et Crémaillère

Transformation d’un mouvement circulaire en mouvement rectiligne (et inversement). C’est le mécanisme universel des directions assistées ou manuelles modernes. Calcul de la course de la crémaillère pour un tour de volant.

12.2. Système Vis et Écrou

Transformation de rotation en translation précise et puissante. Applications : crics, étaux d’atelier, extracteurs de roulements. Notion de pas de vis et d’avance.

12.3. Système Bielle-Manivelle

Transformation du mouvement rectiligne alternatif (piston) en mouvement circulaire continu (vilebrequin). Analyse cinématique rapide : points morts haut et bas, vitesse du piston.

12.4. Cames et Excentriques

Transformation de rotation en translation alternative selon une loi de mouvement définie par le profil de la came. Commande d’ouverture et de fermeture des soupapes.

ANNEXES 📂

Annexe A : Formulaire de Mécanique Générale

Récapitulatif synthétique des formules essentielles du cours : Travail (), Puissance (), Énergie cinétique (), Force centrifuge (), Rapport de transmission (). Un outil de référence rapide pour la résolution des exercices.

Annexe B : Tableaux des Coefficients de Frottement

Données de référence sur les coefficients de frottement statique et dynamique pour divers couples de matériaux courants en automobile : Pneu/Asphalte sec, Pneu/Asphalte mouillé, Garniture de frein/Acier, Acier/Acier graissé.

Annexe C : Nomenclature des Engrenages

Schémas détaillés légendés des différentes parties d’une roue dentée : cercle de tête, cercle primitif, cercle de pied, saillie, creux, pas, module. Aide-mémoire visuel pour le dessin industriel et l’identification des pièces.

Annexe D : Lexique Technique Français-Anglais

Glossaire des termes techniques clés abordés dans le cours (ex: Gear, Pulley, Crankshaft, Torque, Horsepower, Bearing, Belt) pour initier les élèves à la terminologie internationale des manuels de réparation.