ÉLÉMENTS DE MACHINE, 3 ÈME ANNEE, OPTION MECANIQUE GENERALE

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

Préliminaires

Objectifs Pédagogiques du Cours 🎯

Ce cours a pour objectif de doter le futur technicien d’une connaissance technologique approfondie et descriptive des composants standards qui constituent toute machine ou mécanisme. L’ambition est de construire un répertoire de solutions constructives, permettant à l’élève d’identifier, de nommer, et de comprendre le rôle fonctionnel de chaque organe. Au terme de cette année, l’apprenant maîtrisera le vocabulaire technique, les principes de fonctionnement et les critères de choix des principaux éléments d’assemblage, de guidage et de transmission, compétences indispensables pour la lecture de plans, la maintenance et la conception.

Approche Didactique et Méthodologique ⚙️

L’enseignement est résolument concret et s’appuie sur l’observation et la manipulation de composants réels. Chaque famille d’éléments est introduite par sa fonction principale au sein d’un mécanisme. L’étude est descriptive et technologique, se concentrant sur les différentes variantes, les matériaux, les avantages et les inconvénients de chaque solution. L’utilisation systématique de catalogues de fournisseurs, de normes et de vues en éclaté de mécanismes industriels ancre l’apprentissage dans la réalité professionnelle. Le calcul de dimensionnement (résistance des matériaux) est intentionnellement exclu pour se focaliser sur l’aspect fonctionnel et constructif.

Contexte Industriel et Normalisation 🔩

Une attention particulière est portée à l’impératif de la normalisation. L’élève doit comprendre que l’utilisation de composants standards est un facteur clé de la performance économique d’une entreprise, en termes de coût, de disponibilité des pièces et de facilité de maintenance. Des exemples concrets illustreront l’importance de choisir un roulement standard pour la réparation d’un convoyeur minier à Kolwezi ou d’utiliser de la visserie normalisée pour l’entretien des flottes de transport à Kinshasa, plutôt que de fabriquer des pièces sur mesure.

Partie I : Les Liaisons Mécaniques – Assemblage et Fixation

Cette partie fondamentale est consacrée à l’étude des solutions technologiques permettant de lier les différentes pièces d’un mécanisme entre elles. Elle explore les composants qui assurent la cohésion et la rigidité des ensembles mécaniques, en distinguant les liaisons permanentes des liaisons démontables.

Chapitre 1 : Les Assemblages Démontables par Visserie

Ce chapitre analyse en détail la famille la plus répandue des éléments d’assemblage, en se focalisant sur la technologie des vis, écrous et de leurs accessoires.

1.1. Technologie et Classification des Vis et Écrous

Une classification des vis selon leur fonction (vis d’assemblage, vis de pression, vis de guidage) et la forme de leur tête est établie. Les différents types d’écrous (hexagonal, carré, à créneaux) et leurs domaines d’application respectifs sont présentés.

1.2. Systèmes de Filetage et Représentation Normalisée

Le système de filetage métrique ISO est étudié comme le standard universel. Les conventions de dessin pour la représentation des vis et des trous taraudés en vue et en coupe sont détaillées, car leur maîtrise est essentielle pour la lecture de plans.

1.3. Organes Annexes : Rondelles et Systèmes de Freinage

Le rôle des rondelles (plates, Grower, à dents) est expliqué en termes de protection des surfaces d’appui et de freinage. D’autres systèmes de freinage d’écrous, comme les goupilles ou les écrous auto-freinés, sont également présentés.

1.4. Principes de Serrage et Applications Constructives

Les principes de mise en tension d’un boulon lors du serrage sont abordés qualitativement. Des exemples concrets d’assemblages vissés, comme la fixation d’une culasse de moteur ou d’un palier, sont analysés pour illustrer les bonnes pratiques de conception.

Chapitre 2 : Les Assemblages Démontables par Obstacle et Adhérence

Ce chapitre explore les autres solutions courantes pour réaliser des liaisons démontables, notamment pour la transmission de couple entre un arbre et un moyeu.

2.1. Les Goupilles : Types et Fonctions (Positionnement, cisaillement)

Les différents types de goupilles (cylindriques, coniques, élastiques) sont décrits. Leurs deux fonctions principales sont distinguées : le positionnement précis de deux pièces l’une par rapport à l’autre et la fonction de sécurité où la goupille se cisaille en cas de surcharge.

2.2. Les Clavettes : Transmission de Couple et Montage

La clavette parallèle est présentée comme la solution standard pour la transmission de couple. Les différents types (formes A, B, C) et les méthodes de montage (ajustement dans les rainures) sont expliqués.

2.3. Les Cannelures : Liaisons Arbre-Moyeu de Grande Capacité

Les cannelures sont introduites comme une alternative plus robuste aux clavettes pour la transmission de couples élevés, comme sur les arbres de prise de force des engins agricoles dans la plaine de la Ruzizi. Leur profil (en développante, à flancs parallèles) est décrit.

2.4. Les Assemblages par Adhérence : Cônes et Frettage

Les assemblages qui transmettent les efforts par friction sont étudiés. Le principe des cônes auto-bloquants (cône Morse des poupées mobiles de tour) et la notion d’assemblage fretté (montage serré d’une pièce sur une autre) sont expliqués.

Partie II : Le Guidage des Mouvements – Translation et Rotation

Cette partie est dédiée à l’étude des composants qui permettent de contrôler la trajectoire d’une pièce mobile par rapport à une autre. La qualité de ces guidages détermine la précision de fonctionnement de toute machine.

Chapitre 3 : Le Guidage en Translation

Ce chapitre se concentre sur les solutions technologiques qui assurent un mouvement rectiligne précis, une fonction essentielle dans les machines-outils et les systèmes automatisés.

3.1. Glissières : Types (prismatique, queue d’aronde) et Matériaux

Les formes géométriques classiques des glissières (prismatique, en V, en queue d’aronde) sont décrites. Les couples de matériaux (fonte/acier, bronze/acier) et les traitements de surface visant à réduire le frottement et l’usure sont discutés.

3.2. Systèmes de Réglage et de Rattrapage de Jeu (Lardons)

L’usure inévitable des glissières impose la présence de systèmes de rattrapage de jeu. Le rôle et les différents types de lardons (plats, prismatiques) sont expliqués comme étant les garants du maintien de la précision de la machine dans le temps.

3.3. Guidages par Roulement Linéaire

Comme alternative moderne aux glissières traditionnelles, les systèmes de guidage par circulation de billes ou de galets sont présentés. Leurs avantages en termes de faible frottement et de haute précision sont mis en avant.

3.4. Applications : Chariots de Machines-Outils et Systèmes de Manutention

Des exemples concrets, comme le guidage des chariots d’un tour parallèle ou le système de levage d’un chariot élévateur utilisé dans les entrepôts de Matadi, sont analysés pour illustrer les différentes technologies de guidage en translation.

Chapitre 4 : Le Guidage en Rotation : Paliers Lisses et Roulements

Ce chapitre aborde l’un des problèmes centraux de la mécanique : comment permettre à un arbre de tourner avec un minimum de frottement et un maximum de précision.

4.1. Les Paliers Lisses : Coussinets et Lubrification

Le principe du palier lisse, où un film d’huile sépare l’arbre du coussinet, est expliqué. Les différents types de coussinets (en bronze, en régule) et les systèmes de lubrification (graisseur, bague) sont décrits.

4.2. Classification et Désignation des Roulements

La grande famille des roulements est classifiée en fonction de la forme des corps roulants (billes, rouleaux) et de la direction des efforts supportés (radiaux, axiaux). La logique de leur désignation normalisée est expliquée.

4.3. Principes de Montage des Roulements (Ajustements, butées)

Les règles fondamentales du montage des roulements sont enseignées : la bague qui tourne par rapport à la direction de la charge doit être montée serrée, tandis que l’autre est montée glissante. Le rôle des ajustements (H7/g6, etc.) est ici crucial.

4.4. Arrêts Axiaux : Épaulements, Circlips et Écrous à Encoches

Les solutions pour positionner et maintenir axialement un roulement sur un arbre et dans un alésage sont présentées : épaulements usinés, anneaux élastiques (circlips) et écrous à encoches avec rondelle-frein.

Chapitre 5 : L’Étanchéité des Systèmes Mécaniques

Ce chapitre, enrichi par rapport au programme de base, traite de la fonction complémentaire mais vitale qui consiste à empêcher les fuites de lubrifiant et l’entrée de polluants.

5.1. Rôle et Importance de l’Étanchéité Statique et Dynamique

La distinction est faite entre l’étanchéité statique (entre pièces immobiles) et l’étanchéité dynamique (entre pièces en mouvement relatif). L’importance de l’étanchéité pour la fiabilité des équipements est soulignée, notamment dans les environnements poussiéreux des carrières de l’est de la RDC.

5.2. L’Étanchéité Statique : Joints Plats et Joints Toriques

Les solutions pour l’étanchéité entre surfaces fixes sont étudiées : les joints plats (en papier, liège, métal) pour les carters et les couvercles, et les joints toriques pour les assemblages cylindriques.

5.3. L’Étanchéité Dynamique en Translation (Tiges de Vérin)

Les joints à lèvre et les joints racleurs, utilisés pour assurer l’étanchéité des tiges de vérins hydrauliques et pneumatiques, sont décrits. Leur montage et leur principe de fonctionnement sont expliqués.

5.4. L’Étanchéité Dynamique en Rotation (Arbres Tournants)

Les solutions pour les arbres tournants sont présentées, principalement les bagues d’étanchéité à lèvre (joints spi) et, pour les applications plus sévères, les garnitures mécaniques utilisées dans les pompes.

Partie III : La Transmission de Puissance

Cette partie explore les différents organes et systèmes qui permettent de transmettre un mouvement de rotation et un couple d’un arbre moteur à un arbre récepteur, souvent en modifiant la vitesse et le couple.

Chapitre 6 : Les Arbres de Transmission et les Accouplements

Ce chapitre étudie les arbres, qui sont les supports du mouvement de rotation, et les accouplements, qui permettent de relier deux arbres bout à bout.

6.1. Technologie des Arbres : Formes et Fonctions

Les différentes formes que peut prendre un arbre de transmission sont analysées : sections cylindriques pour les portées de roulement, gorges pour les circlips, rainures de clavette, etc. La notion de concentration de contraintes est introduite qualitativement.

6.2. Les Accouplements Rigides : Alignement Parfait

Les accouplements rigides (à manchon, à plateaux) sont présentés comme une solution simple pour relier deux arbres parfaitement alignés. Leur incapacité à tolérer le moindre défaut d’alignement est soulignée.

6.3. Les Accouplements Élastiques et Flexibles

Les accouplements élastiques (à plots, à inserts en caoutchouc) sont décrits pour leur capacité à absorber les chocs, les vibrations et à tolérer de légers défauts d’alignement, une caractéristique précieuse pour les équipements soumis à des régimes sévères.

6.4. Les Joints de Cardan : Transmission entre Arbres Concourants

Le joint de Cardan est présenté comme la solution permettant de transmettre le mouvement entre deux arbres dont les axes sont sécants. Le phénomène de non-homocinétisme du joint simple et la solution du double joint sont expliqués.

Chapitre 7 : Les Embrayages et les Limiteurs de Couple

Ce chapitre traite des mécanismes qui permettent d’accoupler ou de désaccoupler temporairement un arbre moteur d’un arbre récepteur, ainsi que des dispositifs de sécurité.

7.1. Principe de Fonctionnement des Embrayages à Friction

Le principe de la transmission de couple par frottement entre deux surfaces pressées l’une contre l’autre est expliqué. C’est le principe de la majorité des embrayages automobiles et industriels.

7.2. Technologie des Embrayages à Disques et Coniques

Les architectures les plus courantes sont décrites : l’embrayage monodisque, typique de l’automobile, l’embrayage multidisque, pour les couples élevés sous un faible encombrement, et l’embrayage conique.

7.3. Embrayages et Freins à Commande Électromagnétique

Les embrayages et freins commandés électriquement sont présentés comme des solutions faciles à automatiser. Leur principe (attraction d’un plateau mobile par un électroaimant) est expliqué.

7.4. Les Limiteurs de Couple : Organes de Sécurité

Les limiteurs de couple (à friction, à billes) sont décrits comme des fusibles mécaniques. Leur rôle est de désolidariser la transmission en cas de surcharge anormale, protégeant ainsi le moteur et le mécanisme en aval.

Chapitre 8 : La Transmission par Courroies et Chaînes

Ce chapitre étudie les transmissions par liens flexibles, qui permettent de transmettre la puissance entre des arbres éloignés.

8.1. La Transmission par Courroies Plates et Trapézoïdales

Les deux grands types de courroies sont comparés. La courroie plate transmet par adhérence, tandis que la courroie trapézoïdale utilise l’effet de coincement dans les gorges des poulies pour transmettre plus de puissance.

8.2. Critères de Choix et de Tension des Courroies

Le choix d’une courroie (section, longueur) à partir de tables et d’abaques est abordé. L’importance capitale d’une tension correcte pour la durée de vie de la transmission et le bon rendement est mise en avant.

8.3. La Transmission par Chaînes à Rouleaux

La transmission par chaîne est présentée comme une solution sans glissement, plus bruyante mais plus robuste que la courroie. Sa constitution (maillons, rouleaux, axes) est décrite.

8.4. Lubrification et Maintenance des Transmissions par Chaîne

Les méthodes de lubrification des chaînes (manuelle, par bain d’huile) sont expliquées. La surveillance de l’usure et la méthode de réglage de la tension par déplacement d’un pignon tendeur sont présentées.

Chapitre 9 : La Transmission par Engrenages : Principes Fondamentaux

Ce chapitre introduit la transmission par engrenages, la solution la plus performante pour transmettre des couples élevés de manière précise et fiable.

9.1. Condition de Transmission Homocinétique : Profil en Développante de Cercle

La nécessité d’un profil de dent spécifique pour garantir un rapport de vitesse constant est expliquée. Le profil en développante de cercle est présenté comme la solution quasi-universelle qui répond à cette condition.

9.2. Grandeurs Caractéristiques : Module, Pas, Diamètres Primitifs

Les grandeurs fondamentales qui définissent une denture sont introduites : le module (qui caractérise la taille de la dent), le pas, le diamètre primitif, le diamètre de tête et le diamètre de pied.

9.3. Rapport de Transmission et Entraxe

Le rapport de transmission est établi comme étant simplement le rapport des nombres de dents (ou des diamètres primitifs). La formule de calcul de l’entraxe en fonction des diamètres primitifs est également donnée.

9.4. Le Taillage des Dents : Procédés et Notions de Correction de Denture

Une brève introduction aux procédés de fabrication des engrenages (par fraise-mère, par couteau-pignon) est faite pour que l’élève comprenne comment ces profils complexes sont générés. La notion de déport de denture pour améliorer la résistance est mentionnée.

Chapitre 10 : Les Différents Types d’Engrenages

Ce chapitre dresse un panorama des différentes familles d’engrenages, classées selon la position relative des axes des arbres qu’ils relient.

10.1. Les Engrenages Cylindriques à Denture Droite

C’est le type le plus simple, utilisé pour la transmission entre arbres parallèles. Leur géométrie et leurs applications sont étudiées.

10.2. Les Engrenages Cylindriques à Denture Hélicoïdale

La denture hélicoïdale est présentée comme une amélioration de la denture droite, offrant un fonctionnement plus silencieux et une plus grande capacité de charge, au prix d’un effort axial parasite qui doit être repris par les paliers.

10.3. Les Engrenages Coniques

Les engrenages coniques (à denture droite ou spirale) sont décrits comme la solution pour la transmission entre arbres concourants, typiquement à 90°, comme dans le pont arrière d’un camion circulant sur la route de Bumba.

10.4. Le Système Roue et Vis Sans Fin

Ce système est présenté pour sa capacité à réaliser de très grands rapports de réduction dans un faible encombrement. Son caractère souvent irréversible, une propriété intéressante pour la sécurité dans les appareils de levage, est expliqué.

Partie IV : Transformation de Mouvement et Fonctions Annexes

Cette dernière partie explore les mécanismes qui ne se contentent pas de transmettre la rotation mais la transforment en un autre type de mouvement, ainsi que les organes assurant des fonctions de sécurité et de contrôle.

Chapitre 11 : Les Systèmes de Transformation de Mouvement

Ce chapitre est consacré aux mécanismes qui convertissent un mouvement de rotation en translation, ou qui génèrent des mouvements complexes non uniformes.

11.1. Le Système Bielle-Manivelle : Transformation Rotation-Translation

Ce mécanisme fondamental, au cœur de tous les moteurs à pistons et compresseurs, est analysé. Sa capacité à transformer une rotation continue en une translation alternative est expliquée.

11.2. Les Cames et les Poussoirs : Lois de Mouvement

Le système came-poussoir est présenté comme une solution pour générer des lois de mouvement complexes et précises, comme celles requises pour la commande des soupapes d’un moteur ou l’animation d’une machine d’emballage.

11.3. Les Excentriques : Création de Mouvements Alternatifs de Faible Amplitude

L’excentrique est décrit comme une variante simple du système bielle-manivelle, utilisée pour générer des mouvements de va-et-vient de faible course, par exemple pour l’entraînement de petites pompes ou de tables vibrantes.

11.4. Le Système Vis-Écrou : Transformation Rotation-Translation de Précision

Le système vis-écrou est étudié pour sa capacité à transformer une rotation en une translation lente et précise, avec une grande démultiplication de l’effort. C’est le principe des chariots de machines-outils et des crics.

Chapitre 12 : Les Organes de Freinage et de Sécurité

Ce chapitre final traite des composants dont le rôle est de ralentir ou d’arrêter un mouvement, et de ceux qui assurent des fonctions de sécurité passive.

12.1. Principe de la Conversion d’Énergie en Chaleur

Le principe du freinage par friction est rappelé : il s’agit de dissiper l’énergie cinétique du système en la convertissant en chaleur au niveau des garnitures de frein.

12.2. Technologie des Freins à Tambour et à Disque

Les deux principales technologies de freins sont décrites : le frein à tambour, avec ses mâchoires intérieures, et le frein à disque, avec ses plaquettes pressées sur un disque. Leurs avantages respectifs sont discutés.

12.3. Les Systèmes d’Arrêt d’Urgence et de Non-Retour (Roue à Rochet)

Le mécanisme de la roue à rochet est présenté comme un système simple et fiable pour empêcher un mouvement de retour en arrière, une fonction de sécurité essentielle dans les treuils et les appareils de levage.

12.4. Les Ressorts : Organes de Rappel et d’Amortissement

Les ressorts sont étudiés comme des accumulateurs d’énergie potentielle. Les différents types (de compression, de traction, de torsion, à lames) et leurs fonctions (rappel d’un levier, suspension d’un véhicule, amortissement de vibrations) sont présentés.

Annexes

Les annexes regroupent des documents de référence essentiels pour le technicien, servant de support à la conception et à la maintenance.

Guide de Sélection des Roulements 📜

Cette section fournit des extraits de catalogues de roulements, incluant des tables de dimensions et des recommandations pour le choix du type de roulement en fonction de la vitesse et des charges appliquées.

Aide-Mémoire sur les Engrenages ⚙️

Un formulaire synthétique rappelle les définitions et les relations de calcul pour les engrenages cylindriques à denture droite (module, entraxe, rapport de transmission).

Schémathèque des Mécanismes ✍️

Une collection de schémas cinématiques pour les mécanismes les plus courants (bielle-manivelle, système à came, etc.) est proposée comme bibliothèque de solutions de principe.