COURS D’ÉLÉMENTS DES MACHINES, 3ÈME 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

Le cours d’Éléments des Machines constitue l’anatomie fondamentale de la mécanique. Il vise à doter l’élève des compétences nécessaires pour identifier, analyser et dimensionner les organes élémentaires qui composent tout système mécanique, en particulier les véhicules automobiles. L’apprenant doit acquérir une compréhension approfondie des principes de fonctionnement, des modes de défaillance et des critères de choix des composants standards. Cette maîtrise technique prépare directement l’élève aux cours de dessin industriel et de réparation, en lui fournissant le vocabulaire technique et la logique de construction indispensable à l’intervention sur des mécanismes complexes, qu’il s’agisse de boîtes de vitesses ou de systèmes de freinage.

0.2. Directives Méthodologiques

L’enseignement de cette matière exige une approche descriptive, cinématique et dynamique rigoureuse. Le professeur privilégiera l’observation directe de pièces réelles issues de mécanismes automobiles démontés. L’analyse fonctionnelle prime sur le calcul purement théorique : l’élève doit comprendre « pourquoi » une pièce a cette forme et « comment » elle interagit avec les autres. Les exemples d’application doivent s’ancrer dans la réalité industrielle congolaise, en exploitant les cas concrets rencontrés dans les ateliers de maintenance de camions à Lubumbashi ou les installations portuaires de Matadi.

0.3. Prérequis et Liens Interdisciplinaires

La réussite de ce module repose sur une assimilation solide des notions de mécanique générale (statique et dynamique) et de physique vues dans les années antérieures. La connaissance des matériaux (métallurgie) est également requise pour comprendre les choix de friction et de résistance. Ce cours sert de fondation directe pour le cours de Technologie Automobile et de Résistance des Matériaux, créant une cohérence pédagogique indispensable à la formation du technicien supérieur.

0.4. Matériel Didactique Requis

L’environnement d’apprentissage idéal comprend une salle de classe équipée de modèles didactiques (coupes de roulements, maquettes d’engrenages, échantillons de visserie). L’accès à un laboratoire de mécanique pour visualiser les jeux fonctionnels et les états de surface est impératif. La documentation technique (normes ISO/DIN, catalogues de fabricants comme SKF ou Facom) doit être accessible aux élèves pour les initier à la recherche de références normalisées.

PARTIE 1 : ÉTUDE DES LIAISONS ET ASSEMBLAGES MÉCANIQUES 🔩

Cette première partie analyse les méthodes fondamentales pour relier des pièces mécaniques entre elles, soit de manière fixe, soit en autorisant certains mouvements relatifs. Elle débute par l’étude cruciale du frottement, phénomène omniprésent qui dicte le choix des matériaux et des lubrifiants. Nous explorons ensuite les organes d’assemblage démontables et permanents, essentiels pour la maintenance automobile, ainsi que les liaisons élastiques qui garantissent le confort et la tenue de route des véhicules sur les infrastructures routières variées de la RDC.

Chapitre 1 : Les Phénomènes de Frottement et l’Adhérence

1.1. Nature et lois du frottement Le frottement résulte de l’interaction microscopique entre deux surfaces en contact. Nous définissons le coefficient de frottement (statique et dynamique) et analysons les lois de Coulomb. L’élève doit distinguer le frottement nuisible, générateur de chaleur et d’usure (dans les paliers), du frottement utile, indispensable à l’adhérence (embrayages, freins, contact pneu-chaussée).

1.2. Facteurs influençant le frottement L’analyse porte sur les paramètres modifiant la résistance au glissement : nature des matériaux en contact, état de surface (rugosité), pression de contact et température. Nous étudions l’influence de la lubrification (régimes onctueux et hydrodynamiques) pour minimiser l’usure des pièces mobiles.

1.3. L’usure et le grippage L’usure est la dégradation progressive des surfaces par abrasion, adhésion ou corrosion. Le grippage représente l’incident critique où les surfaces se soudent localement. L’étude de ces phénomènes permet de comprendre l’importance des jeux fonctionnels et des huiles adaptées aux conditions climatiques équatoriales.

1.4. Applications au pivotement et au roulement Différenciation entre le frottement de glissement et la résistance au roulement. Cette section justifie l’utilisation de roulements à billes ou à rouleaux pour réduire les pertes énergétiques dans les transmissions automobiles et les moyeux de roues.

Chapitre 2 : Les Organes d’Assemblage Filetés

2.1. Théorie de la vis et du filetage Analyse géométrique des filets (métriques ISO, Whitworth, trapézoïdaux). Définition du pas, du diamètre nominal et de l’angle d’hélice. L’élève apprend à identifier les types de filets utilisés en automobile pour garantir la réversibilité ou l’irréversibilité de l’assemblage.

2.2. Boulons, vis et goujons Classification technologique des éléments de fixation : vis d’assemblage, vis de pression, goujons de culasse. Étude des classes de qualité (ex: 8.8, 10.9) déterminant la résistance à la traction, cruciale pour les assemblages de sécurité comme les étriers de frein.

2.3. Les écrous et le freinage des vis Description des écrous standards et spéciaux (crénelés, à embase). Étude impérative des dispositifs de sécurité empêchant le desserrage intempestif dû aux vibrations (fréquentes sur les pistes en terre du Kasaï) : rondelles Grower, écrous Nylstop, goupilles fendues, freinage par fil.

2.4. Calcul et serrage des assemblages Notions sur la précontrainte de serrage et l’utilisation de la clé dynamométrique. L’élève comprend la relation entre le couple de serrage appliqué et la tension axiale dans la vis, garantissant l’étanchéité et la tenue des assemblages mécaniques.

Chapitre 3 : Liaisons par Obstacle et Adhérence

3.1. Les clavettes et cannelures Étude des organes assurant la liaison en rotation entre un arbre et un moyeu. Description des clavettes parallèles, disques et inclinées. Analyse des arbres cannelés utilisés dans les transmissions (cardans) pour transmettre des couples élevés tout en permettant un coulissement axial.

3.2. Les goupilles et axes Utilisation des goupilles (cylindriques, coniques, élastiques « Mécanindus ») pour le positionnement précis ou comme éléments de sécurité (cisaillement en cas de surcharge). Rôle des axes d’articulation dans les timoneries de frein et de direction.

3.3. Assemblages coniques et coincement Principe de l’adhérence par conicité (cône Morse, emmanchements coniques de rotules de direction). Calcul de l’angle de coincement et conditions de démontabilité à l’aide d’extracteurs appropriés.

3.4. Rivetage et assemblages permanents Aperçu des techniques d’assemblage indémontable. Le rivetage, bien que remplacé par le soudage sur les châssis modernes, reste utilisé pour les garnitures de frein (camions) et certaines plaques de carrosserie. Comparaison avec le collage structural moderne.

Chapitre 4 : Les Liaisons Élastiques

4.1. Fonctions et matériaux des ressorts Rôle des ressorts pour stocker l’énergie, amortir les chocs et exercer une force de rappel. Étude des aciers à ressorts (haute limite élastique) et des traitements thermiques associés.

4.2. Ressorts hélicoïdaux (à boudin) Calcul simplifié et dimensionnement des ressorts de compression et de traction. Application aux soupapes de moteur et aux suspensions de véhicules légers. Compréhension de la raideur et de la flèche.

4.3. Ressorts à lames et barres de torsion Technologie des ressorts à lames multiples, essentiels pour les véhicules de transport de marchandises (Fuso, Tata) sur les routes de la RDC. Principe de la barre de torsion utilisée dans certaines suspensions avant.

4.4. Blocs élastiques et silentblocs Utilisation du caoutchouc et des élastomères pour filtrer les vibrations et tolérer de légers désalignements. Importance du contrôle des silentblocs de supports moteur et de trains roulants pour le confort acoustique et la fiabilité.

PARTIE 2 : GUIDAGE ET TRANSMISSION DE MOUVEMENT ⚙️

Cette partie aborde le cœur cinématique des machines : comment permettre le mouvement précis des pièces et comment transporter l’énergie mécanique d’un point à un autre. Nous étudions les technologies de guidage en rotation, passant des paliers lisses traditionnels aux roulements de haute précision. Ensuite, l’analyse se porte sur les organes de transmission de puissance (embrayages, engrenages, liens flexibles) qui constituent la chaîne cinématique du moteur aux roues, en mettant l’accent sur les solutions robustes adaptées à l’environnement d’exploitation congolais.

Chapitre 5 : Guidage en Translation et en Rotation

5.1. Guidage en translation (Glissières) Étude des formes de glissières (prismatiques, en queue d’aronde, cylindriques). Gestion du jeu et de l’usure par l’utilisation de lardons de réglage. Application aux machines-outils d’atelier de rectification et aux étriers de frein flottants.

5.2. Paliers lisses et coussinets Guidage en rotation par glissement. Utilisation de matériaux antifriction (bronze, régule, polymères) pour les coussinets. Importance du régime de lubrification hydrodynamique pour les paliers de vilebrequin et d’arbre à cames.

5.3. Rotules et articulations sphériques Guidage permettant des mouvements angulaires dans toutes les directions. Application cruciale dans les suspensions et les directions (rotules de pivot) pour suivre les débattements de la roue.

5.4. Étanchéité des guidages Protection des surfaces de guidage contre la poussière (latérite) et rétention du lubrifiant. Étude des joints à lèvres (joints spi), des déflecteurs et des joints feutres.

Chapitre 6 : Les Roulements

6.1. Constitution et classification Analyse structurelle : bagues, éléments roulants, cage. Classification des roulements selon la charge supportée (radiale, axiale, combinée) : à billes, à rouleaux cylindriques, à rouleaux coniques, à aiguilles.

6.2. Montage et fixation des roulements Règles de montage : bague tournante serrée, bague fixe glissante. Techniques de fixation latérale (écrous à encoches, circlips, épaulements). Utilisation de la presse et du chauffage par induction pour le montage en atelier.

6.3. Calcul de durée de vie et choix Notions de charge dynamique et statique de base. Estimation de la durée de vie nominale (L10) en millions de tours. Critères de sélection pour les moyeux de roue soumis aux chocs des nids-de-poule.

6.4. Lubrification et maintenance des roulements Choix entre graisse et huile. Périodicité de graissage et diagnostic des défaillances par analyse vibratoire ou sonore (ronronnement). Causes prématurées d’usure (défaut d’étanchéité, surcharge).

Chapitre 7 : Transmission par Adhérence et Liens Flexibles

7.1. Transmission par courroies plates et trapézoïdales Principe de l’adhérence par coincement (courroies trapézoïdales). Calcul du rapport de transmission et de la longueur primitive. Tension des courroies d’accessoires (alternateur, pompe à eau) et maintenance.

7.2. Transmission par courroies crantées (synchrones) Transmission sans glissement pour la distribution moteur. Constitution (fibre de verre, néoprène). Importance critique du calage et des galets tendeurs pour éviter la casse moteur.

7.3. Transmission par chaînes Technologie des chaînes à rouleaux et des pignons. Avantages en robustesse pour les distributions de moteurs Diesel et les motos. Lubrification et mesure de l’allongement d’usure.

7.4. Roues de friction et variateurs Principe de transmission par contact direct. Application aux variateurs de vitesse à courroie (CVT) sur les scooters et certains véhicules légers, permettant une variation continue du rapport.

Chapitre 8 : Embrayages et Accouplements

8.1. Les accouplements permanents Organes de liaison rigide (manchons, brides) et élastique (Flector, joints Oldham) entre deux arbres. Rôle d’absorption des désalignements et des à-coups de couple dans la transmission (arbre longitudinal).

8.2. Embrayages à friction (Mécaniques) Fonctionnement de l’embrayage monodisque à sec automobile. Analyse du disque (garnitures), du mécanisme (diaphragme ou ressorts) et de la butée. Transmission progressive du couple et dissipation thermique.

8.3. Embrayages automatiques et centrifuges Principe basé sur la force centrifuge (tronçonneuses, scooters). Introduction aux convertisseurs de couple hydrauliques utilisés dans les boîtes automatiques, assurant une liaison fluide sans usure mécanique directe.

8.4. Joints de transmission (Cardans) Étude des joints de Cardan (asynchronisme) et des joints homocinétiques (Rzeppa, Tripode) utilisés sur les arbres de transmission des roues avant motrices. Importance des soufflets de protection.

PARTIE 3 : TRANSFORMATION DU MOUVEMENT ET CONTRÔLE 📐

La dernière partie se concentre sur les mécanismes qui modifient la nature du mouvement (de la rotation à la translation, par exemple) et sur ceux qui permettent de contrôler la dynamique du système (freinage, arrêt). Ces éléments sont cruciaux pour le fonctionnement interne du moteur thermique (distribution, embiellage) et pour la sécurité active du véhicule. L’étude inclut également les mécanismes irréversibles et les dispositifs de sécurité.

Chapitre 9 : Transformation de Mouvement

9.1. Système Bielle-Manivelle Analyse cinématique du mécanisme fondamental du moteur thermique. Transformation de la translation alternative du piston en rotation continue du vilebrequin. Étude des points morts et de l’obliquité de la bielle.

9.2. Cames et Excentriques Transformation de rotation en translation selon une loi définie par le profil de la came. Application à la commande des soupapes. Différents profils de cames pour optimiser le remplissage des cylindres.

9.3. Pignon et Crémaillère Transformation de rotation en translation rectiligne. Mécanisme standard des directions automobiles modernes. Calcul de la course et de l’effort au volant.

9.4. Vis et Écrou Transformation de mouvement avec grande réduction de vitesse et irréversibilité possible. Application aux crics de levage, aux étaux d’atelier et aux commandes de réglage.

Chapitre 10 : Les Organes de Freinage

10.1. Principes physiques du freinage Transformation de l’énergie cinétique en chaleur par frottement. Calcul de la puissance de freinage et des contraintes thermiques. Matériaux de friction (sans amiante) et coefficient de frottement.

10.2. Freins à tambour Technologie des segments intérieurs à expansion. Effet d’auto-serrage. Mécanismes de rattrapage de jeu automatique. Utilisation prédominante sur les essieux arrière des pick-up et camions en RDC.

10.3. Freins à disque Constitution : étrier (fixe ou flottant), disque, plaquettes. Avantages en termes de refroidissement et de stabilité. Évolution vers les disques ventilés et céramiques.

10.4. Commandes de freinage Aperçu des systèmes de commande hydraulique (maître-cylindre) et pneumatique (pour poids lourds). Introduction aux dispositifs d’assistance (Mastervac) et d’antiblocage (ABS).

Chapitre 11 : Organes de Non-Retour et d’Arrêt

11.1. Roues à rochets et cliquets Mécanismes autorisant la rotation dans un seul sens. Application au frein de stationnement à main et aux sangles d’arrimage de chargement. Sécurité par enclenchement positif.

11.2. Roues libres Dispositifs de blocage par galets ou cames. Fonctionnement du lanceur de démarreur (Bendix) : entraînement du moteur thermique au démarrage et désolidarisation dès que le moteur tourne plus vite.

11.3. Freins d’arrêt et de sécurité Systèmes de blocage mécanique de la transmission (position P sur boîtes auto) et verrous de colonne de direction.

11.4. Limiteurs de couple et sécurité Organes de protection contre les surcharges (goupilles de cisaillement, embrayages à friction tarés). Protection des mécanismes de prise de force sur les engins agricoles et de chantier.

Chapitre 12 : Transmission par Engrenages

12.1. Géométrie des engrenages cylindriques Définition du module, du pas, du diamètre primitif et de l’entraxe. Condition d’engrènement. Engrenages à denture droite (bruyants, efforts radiaux) vs denture hélicoïdale (silencieux, efforts axiaux).

12.2. Engrenages coniques et vis sans fin Transmission entre arbres concourants (différentiel) et arbres gauches. Le couple conique et le système roue et vis sans fin (grande réduction, irréversible).

12.3. Trains d’engrenages et boîtes de vitesses Calcul des rapports de transmission. Analyse des trains simples et épicycloïdaux (boîtes automatiques). Inversion du sens de rotation (marche arrière).

12.4. Lubrification des engrenages Régimes de lubrification (onctueux, extrême pression). Choix des huiles de transmission (GL-4, GL-5) pour éviter l’usure des dents et le pitting (piqûres), essentiels pour la longévité des boîtes de vitesses manuelles.

ANNEXES 📎

Annexe A : Symboles Cinématiques Normalisés

Tableau des symboles graphiques pour représenter les liaisons (pivot, glissière, encastrement) dans les schémas cinématiques, indispensable pour l’analyse des plans.

Annexe B : Tableau des Filetages ISO

Abaques standards des pas métriques (gros et fins) pour les diamètres usuels (M6, M8, M10, etc.), utilisés pour l’identification des vis en atelier.

Annexe C : Désignation des Roulements

Guide de lecture des références de roulements (ex: 6205 2RS) expliquant la signification des séries dimensionnelles et des suffixes d’étanchéité.

Annexe D : Lexique Technique Français-Anglais

Glossaire des termes techniques essentiels (Bearing, Gear, Clutch, Shaft, Spring) facilitant la compréhension des manuels de réparation internationaux.