MÉCANIQUE APPLIQUÉE

OPTION CONSTRUCTION – 2ÈME ANNÉE

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

Préliminaire

Objectifs du cours

Ce cours de mécanique appliquée a pour objectif de doter le futur technicien en construction d’une connaissance technologique approfondie des mécanismes et des machines qu’il rencontrera sur les chantiers. Dépassant la simple analyse cinématique, il s’agit ici de démonter intellectuellement les engins pour en comprendre le fonctionnement intime, la fonction de chaque composant, et les principes de leur maintenance. La finalité est de former un professionnel capable d’intervenir judicieusement sur les équipements, d’en assurer l’entretien et de dialoguer de manière pertinente avec les mécaniciens spécialisés. 🔧

Approche Pédagogique

Privilégiant une démarche concrète, l’enseignement s’appuiera sur du matériel didactique varié (pièces réelles, modèles réduits, schémas techniques). Chaque mécanisme sera étudié sous un angle fonctionnel, en insistant sur son rôle précis, sa description technologique, ses conditions d’emploi et, de manière cruciale, son entretien régulier. Des exemples tirés du parc d’engins utilisés en RDC, des bulldozers défrichant une piste dans le Grand Kasaï aux grues érigeant des bâtiments à Kinshasa, serviront de fil conducteur pour illustrer chaque chapitre et ancrer les savoirs dans la réalité professionnelle.

Compétences Visées

Au terme de cette année, l’élève détiendra les compétences suivantes :

• Identifier : Reconnaître et nommer les différents organes de liaison, de guidage et de transmission au sein d’un mécanisme complexe.
• Analyser : Expliquer le principe de fonctionnement, les avantages et les inconvénients des principaux systèmes d’embrayage, de freinage et de réduction de vitesse.
• Appliquer : Calculer les rapports de force et de vitesse ainsi que le rendement de machines simples comme les treuils, les palans ou les crics.
• Maintenir : Justifier la nécessité d’un entretien préventif (lubrification, réglages) et décrire les opérations de maintenance de base pour garantir la longévité et la sécurité des équipements.

Modalités d’Évaluation

L’évaluation portera sur la compréhension technologique des systèmes mécaniques. Elle se composera d’interrogations écrites évaluant la connaissance des composants et de leur fonction, d’études de cas basées sur des schémas d’engins de chantier, et d’épreuves pratiques d’identification de pièces ou de description de procédures de maintenance. Un examen final de synthèse validera la capacité de l’élève à analyser une chaîne cinématique complète et à en déduire les principes de fonctionnement et d’entretien. 📋

Partie I : Les Liaisons Mécaniques – L’Assemblage des Composants

Cette partie fondamentale explore la manière dont les différentes pièces d’une machine sont assemblées, guidées et positionnées les unes par rapport aux autres. La fiabilité de ces liaisons, des plus simples aux plus complexes, conditionne la robustesse et la précision de l’ensemble du mécanisme.

Chapitre 1 : Les Liaisons Démontables

Au cœur de l’assemblage mécanique, les liaisons démontables permettent le montage et le démontage des machines pour la maintenance. Ce chapitre en explore les principales technologies.

1.1. Les Liaisons par Obstacle : Clavettes et Goupilles

Pour transmettre un couple de rotation entre un arbre et un moyeu, l’utilisation d’obstacles comme les clavettes et les goupilles est une solution simple et fiable. Leur typologie et leurs règles de montage sont ici détaillées.

1.2. Les Liaisons par Adhérence : Emmanchements

L’assemblage de deux pièces peut être réalisé par une forte pression (emmanchement à force) ou par l’utilisation de surfaces coniques. Ces liaisons par adhérence sont étudiées pour leur capacité à transmettre des efforts importants.

1.3. Les Liaisons par Organes Filetés : Boulonnerie

La technologie la plus courante pour l’assemblage démontable reste le système vis-écrou. L’étude des différents types de filets, de boulons, d’écrous, de goujons et de rondelles est fondamentale.

1.4. Les Organes de Sécurité : Freins d’Écrou

Afin d’éviter le desserrage des assemblages soumis à des vibrations, comme c’est le cas sur un compacteur de sol, divers dispositifs de freinage (rondelles spécifiques, contre-écrous) sont nécessaires. Leur choix et leur utilisation sont ici expliqués.

Chapitre 2 : Les Liaisons Élastiques et les Accouplements

Permettant une certaine flexibilité entre les pièces, les liaisons élastiques et les accouplements jouent un rôle crucial dans l’absorption des chocs, la compensation des défauts d’alignement et la transmission de puissance entre deux arbres.

2.1. Le Rôle des Ressorts et des Silentblocs

Les liaisons élastiques, qu’elles soient réalisées par des ressorts métalliques ou des bagues en caoutchouc (silentblocs), permettent d’amortir les vibrations et les chocs, protégeant ainsi la structure de la machine.

2.2. Les Accouplements Rigides et à Plateaux

Lorsque deux arbres sont parfaitement alignés, des accouplements rigides comme les manchons ou les accouplements à plateaux permettent une transmission de puissance directe et sans jeu.

2.3. Les Accouplements Semi-Élastiques

Ces dispositifs permettent de tolérer de légers défauts d’alignement entre deux arbres, grâce à des éléments intermédiaires qui offrent une certaine souplesse à la liaison.

2.4. Les Accouplements Élastiques

Pour les applications exigeant une grande flexibilité et une forte capacité d’amortissement des vibrations, les accouplements élastiques (à plots, à mâchoires) sont indispensables.

Chapitre 3 : Le Guidage des Mouvements

Assurer qu’une pièce mobile suive une trajectoire précise, en rotation ou en translation, est la fonction des systèmes de guidage. Leur qualité conditionne la précision et la durée de vie de la machine.

3.1. Le Guidage en Rotation par Paliers Lisses (Coussinets)

Le guidage d’un arbre en rotation peut être assuré par des coussinets, des bagues de frottement qui nécessitent une lubrification parfaite pour fonctionner correctement.

3.2. Le Guidage en Rotation par Roulements

En remplaçant le glissement par le roulement de billes ou de rouleaux, les roulements permettent de réduire considérablement les frottements, d’améliorer le rendement et de simplifier la maintenance.

3.3. Le Guidage en Translation

Pour les pièces se déplaçant en ligne droite, comme le bras d’une pelle hydraulique, des systèmes de guidage par glissières ou colonnes assurent la précision du mouvement.

3.4. Les Organes d’Arrêt en Translation (Butées, Circlips)

Afin de positionner et de maintenir axialement les pièces sur un arbre ou dans un alésage, des organes d’arrêt spécifiques comme les butées et les circlips sont utilisés.

Chapitre 4 : La Lubrification et la Maintenance

Invisible mais vitale, la lubrification est l’opération qui garantit le bon fonctionnement et la longévité des mécanismes en réduisant l’usure et l’échauffement. Sa maîtrise est un aspect clé de la gestion économique d’un parc d’engins.

4.1. La Nécessité de la Lubrification

L’interposition d’un film d’huile ou de graisse entre deux surfaces en mouvement permet de réduire drastiquement les forces de frottement. Ce principe fondamental est à la base de toute la maintenance mécanique.

4.2. Les Différents Types de Lubrifiants

Le choix du bon lubrifiant est crucial. Les caractéristiques et domaines d’emploi des huiles (viscosité) et des graisses (consistance) sont ici présentés.

4.3. Les Modes de Graissage et les Graisseurs

La lubrification peut être manuelle ou automatique. L’étude des différents types de graisseurs et des circuits de graissage centralisé permet de comprendre comment amener le lubrifiant au bon endroit.

4.4. L’Importance de la Maintenance Préventive

Mettre en place un plan de graissage régulier et systématique pour chaque machine, comme les tombereaux sur les chantiers miniers du Katanga, est l’action de maintenance préventive la plus efficace pour éviter les pannes coûteuses.

Partie II : La Commande et la Maîtrise du Mouvement

Cette partie se concentre sur les organes qui permettent de contrôler la transmission de la puissance et de gérer l’énergie cinétique des machines. La maîtrise des embrayages et des freins est synonyme de performance et de sécurité.

Chapitre 5 : Les Embrayages : Connexion et Déconnexion de la Puissance

L’embrayage est le mécanisme qui permet d’accoupler ou de désaccoupler progressivement un moteur de la machine qu’il entraîne. Son bon fonctionnement est essentiel à la manœuvrabilité des engins.

5.1. Le Principe de l’Embrayage par Friction

La plupart des embrayages fonctionnent en pressant deux surfaces l’une contre l’autre. La force de frottement ainsi créée permet de transmettre le couple moteur.

5.2. Les Embrayages à Cônes et à Disques

Deux technologies majeures sont étudiées : les embrayages à cônes, simples et robustes, et les embrayages à disques (simple ou multiples), plus progressifs et compacts, qui équipent la majorité des véhicules.

5.3. Les Embrayages à Griffes (à crabots)

Pour une liaison en rotation sans aucun glissement possible, les embrayages à griffes assurent un accouplement positif. Leur engagement ne peut toutefois se faire qu’à l’arrêt ou à très faible vitesse.

5.4. Les Coupleurs Centrifuges

Fonctionnant de manière automatique avec la vitesse de rotation du moteur, les coupleurs centrifuges permettent un démarrage en douceur de la machine, sans action de l’opérateur.

Chapitre 6 : Les Freins : Dissipation de l’Énergie et Sécurité

Le frein est l’organe de sécurité par excellence. Sa fonction est de transformer l’énergie cinétique d’une machine en chaleur par friction, afin de la ralentir ou de l’arrêter.

6.1. Le Principe du Freinage par Friction

À l’instar de l’embrayage, le freinage repose sur le frottement de deux surfaces. La conception du frein vise à maximiser cette friction et à dissiper efficacement la chaleur produite. 🔥

6.2. Les Freins à Mâchoires et à Tambour

Dans cette technologie très répandue, des mâchoires garnies d’un matériau de friction sont pressées contre l’intérieur d’un tambour rotatif pour créer la force de freinage.

6.3. Les Freins à Bande

Simples et puissants, les freins à bande utilisent la tension d’une bande flexible enroulée autour d’un tambour pour générer un effet de freinage très énergique.

6.4. Les Freins à Disque

Plus modernes et plus performants, les freins à disque pincent une plaquette de friction de chaque côté d’un disque solidaire de la roue. Leur efficacité et leur résistance à l’échauffement sont supérieures.

Partie III : L’Étude Technologique des Mécanismes Complets

Après avoir étudié les composants élémentaires, cette dernière partie applique les connaissances acquises à l’analyse de mécanismes et de machines simples dans leur globalité, en se focalisant sur leur description technologique, leur usage, leur entretien et le calcul de leur rendement.

Chapitre 7 : Les Mécanismes de Transmission de Puissance

Ce chapitre revient sur les systèmes de transmission vus en première année, mais cette fois sous un angle technologique, en étudiant leur construction, leurs avantages et leurs domaines d’application.

7.1. Étude Technologique des Engrenages

Au-delà du simple rapport de vitesse, l’étude porte sur les différents types de dentures, les matériaux utilisés, la lubrification et les applications des transmissions par engrenages.

7.2. Étude Technologique des Poulies et Courroies

L’analyse se concentre sur les différents profils de courroies (plates, trapézoïdales) et les systèmes de tension, en comparant les avantages de ce type de transmission (souplesse, silence).

7.3. Les Variateurs et Boîtes de Vitesses

La description technologique de ces mécanismes permet de comprendre comment ils réalisent le changement de rapport de vitesse, un élément clé pour adapter le fonctionnement d’un moteur aux besoins de la machine.

7.4. Les Réducteurs de Vitesse (à Vis Sans Fin)

Particulièrement importants pour obtenir des couples élevés à faible vitesse (par exemple sur un treuil), les réducteurs à vis sans fin sont étudiés pour leur grand rapport de réduction et leur irréversibilité.

Chapitre 8 : Les Mécanismes de Levage et de Manutention

Ce chapitre se concentre sur l’analyse technologique des machines simples utilisées depuis des siècles pour démultiplier l’effort humain et permettre le levage de charges lourdes.

8.1. Le Levier et ses Applications

Le principe du levier est le plus ancien des multiplicateurs de force. Ses différentes configurations et ses applications pratiques sur un chantier sont passées en revue.

8.2. Le Treuil (à Engrenages et à Vis Sans Fin)

Le treuil, qui combine un tambour et un réducteur, est une machine de levage fondamentale. L’étude comparative des versions à engrenages droits et à vis sans fin met en lumière leurs performances respectives.

8.3. Les Palans (à Moufles et à Vis Sans Fin)

Pour le levage manuel de charges, les palans sont des outils indispensables. L’analyse du mouflage dans un palan à chaîne et du mécanisme d’un palan à vis sans fin permet de comprendre leur pouvoir de démultiplication.

8.4. Le Cabestan et le Plan Incliné

Deux autres machines simples sont étudiées : le cabestan, qui est un treuil à axe vertical, et le plan incliné, qui permet de soulever une charge en appliquant un effort réduit.

Chapitre 9 : Analyse du Rendement et des Efforts

Une bonne compréhension technologique passe par la capacité à quantifier les performances d’un mécanisme, en calculant le rapport entre les forces mises en jeu et en évaluant les pertes d’énergie.

9.1. Le Rapport des Forces dans les Mécanismes

Pour chaque machine simple étudiée, l’établissement du rapport entre la force appliquée (par l’opérateur) et la force résistante (la charge) permet de quantifier le gain mécanique obtenu.

9.2. Le Calcul du Rendement

Le rendement, rapport entre la puissance de sortie et la puissance d’entrée, est un indicateur clé de l’efficacité d’une transmission. Son calcul permet de chiffrer les pertes dues aux frottements.

9.3. Les Pertes d’Énergie et l’Échauffement

Toute perte d’énergie dans un mécanisme se transforme inévitablement en chaleur. La gestion de cet échauffement est un aspect important de la conception et de la maintenance.

9.4. L’Optimisation Énergétique des Transmissions

La recherche du meilleur rendement possible, par le choix des technologies (roulements plutôt que coussinets) et une bonne lubrification, est un enjeu économique et écologique majeur.

Annexes

Catalogue des Organes de Machines

Des fiches illustrées présenteront les principaux composants étudiés (roulements, clavettes, accouplements, etc.), avec leurs désignations normalisées et leurs principales caractéristiques. ⚙️

Guide de Maintenance Préventive

Un guide pratique proposera des check-lists de maintenance pour des équipements simples (treuil, cric), en indiquant les points à vérifier, les lubrifiants à utiliser et la périodicité des interventions.

Formulaire de Mécanique Appliquée

Un recueil des formules essentielles pour le calcul des rapports de vitesse, des rapports de force et du rendement des mécanismes étudiés servira d’aide-mémoire pour les applications numériques.

Lexique Illustré des Mécanismes

Un glossaire visuel définira les termes techniques spécifiques à la mécanique appliquée (embrayage, frein, palan, réducteur), pour une parfaite maîtrise du vocabulaire professionnel.