Brevet FR2821469A1 — publié le 20020830

DISPOSITIF PERMETTANT DE MODELISER LES MECANISMES La présente invention concerne le domaine technique de la mécanique au sens général. L'invention concerne plus particulièrement les moyens techniques utiles à l'étude du comportement des mécanismes par leur modélisation physique globale. D'une manière générale l'analyse des comportements des mécanismes nécessite la mise en évidence des interrelations statiques et cinématiques qui cheminent au travers des liaisons mécaniques caractérisant les mécanismes. Pour faciliter cette mise en évidence il existe une codification des diverses liaisons mécaniques à partir desquelles il est possible de modéliser les mécanismes. S'appuyant sur cette codification, l'art antérieur propose divers moyens virtuels, graphiques et informatiques, qui autorisent l'étude globale des mécanismes. Mais les moyens physiques proposés par fart antérieur pour modéliser les mécanismes afin d'en faire l'étude, se limitent aux liaisons mécaniques prises individuellement. On connaît, par exemple, le dispositif divulgué sous le numéro FR. 2691825 qui présente un appareil de démonstration apte à permettre l'étude des libertés dans une liaison mécanique. L'étude de l'état de la technique fait donc apparaître qu'il n'est pas possible d'obtenir la modélisation volumique globale des mécanismes. La présente invention vise justement à répondre à ce besoin. Elle vise aussi à proposer des formes qui rappellent la représentation actuellement utilisée pour modéliser graphiquement les mécanismes. Elle vise encore à proposer un matériel ludique, simple d'emploi, faisant ressortir les interdépendances des associations de surfaces constituant toute liaison mécanique. Ainsi, le dispositif selon l'invention est constitué par des éléments modulaires et interchangeables qui sont : - un corps destiné à coopérer avec un axe pour supprimer entre eux au moins un degré de liberté. - un axe. Chacun de ces éléments (corps et axe) supportant un système de liaison à positions multiples qui permet son positionnement dans l'espace et la transmission d'efforts. Selon une première caractéristique, les corps sont tubulaires et comportent des surfaces de guidage. Selon une autre caractéristique, les corps sont constitués d'au moins un plan qui sert alors de surface de guidage. Selon une autre caractéristique, les surfaces de guidage coopèrent avec au moins une butée pouvant appartenir soit à l'arbre, soit au corps pour supprimer au moins un degré de liberté. Le dispositif, selon une disposition préférée, comprend des butées amovibles. Selon une autre disposition préférée, le système de liaison comprend des cylindres amovibles servant de tiges de jonction et pouvant également servir de butées. Le choix de l'association d'un corps et d'un axe coopérant éventuellement avec une ou plusieurs butées détermine une"liaison mécanique". Le choix de la constitution du système de liaison apte à relier les"liaisons mécaniques"entre elles permet d'obtenir la modélisation globale d'un mécanisme. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention se dégageront de la description qui va suivre en regard des dessins annexés qui ne sont donnés qu'à titre d'exemples non limitatifs. La figure 1 est une perspective montrant une application de l'invention modélisant un mécanisme appelé"Butée mobile". La figure 2 est un schéma plan normalisé représentant le même mécanisme. La figure 3 est une vue en perspective d'une liaison mécanique de type Pivot long, associant un corps tubulaire long et un axe long doté de deux butées. La figure 4A est une vue en perspective d'un corps tubulaire présentant une lumière longitudinale. La figure 4B est une vue en perspective d'un corps tubulaire présentant lumière hélicoïdale. La figure 4C est une vue en perspective d'un corps tubulaire destiné à recevoir un axe sphérique. La figure 4D est une vue en perspective d'un corps présentant deux plans d'appui. La figure 4E est une vue en perspective d'un corps présentant quatre plans d'appui. La figure 5A est une vue en perspective d'un axe ne comportant pas de butées. La figure 5B représente l'axe cylindrique équipé d'une butée. La figure 5C représente l'axe cylindrique équipé de deux butées. La figure 5D représente un axe de section carrée. La figure 5E représente un axe sphérique ne comportant pas de butées. La figure 5F représente un axe sphérique équipé d'une butée. Les figures 6A, 6B, 6C, 6D sont des vues en perspective montrant respectivement des réalisations de tiges de jonction droites ou coudées. La figure 6E est une vue en perspective d'une tige de jonction prolongée d'une poulie. Les figures 7A et 7B sont des vues en perspective de deux manchons permettant de raccorder plusieurs tiges de jonction. Les figures 8 à 25 sont des vues en perspective illustrant diverses possibilités de réalisation de liaisons mécaniques selon l'invention. Ces liaisons utilisent en les combinant les éléments décrits aux figures 3 à 60 exception faite de la figure 9 semblable à la figure 8 mais qui utilise un corps court et un axe court. La figure 26 est une coupe montrant une variante de réalisation dans laquelle la butée est placée sur le corps et les surfaces de guidage transversales sur l'axe. Les figures 27 et 28 sont des vues montrant des axes intégrant des butée circulaires. La figure 29 est une coupe de face et de dessus d'une autre forme de butée intégrée à l'axe. La figure 30 est une coupe d'une variante de réalisation dans laquelle la butée est intégrée au corps. La figure 31 est une vue de face et de dessus en coupe d'une variante de butée intégrée au corps La figure 32 est une vue de face en coupe et vue de dessus d'une variante de réalisation d'une pièce destinée au raccordement de plusieurs tiges de jonction. La figure 33 est une coupe d'une variante d'un système de liaison à positions multiples amovible. Les Figures 34 à 38 sont des sections qu'il est possibles de donner aux tiges de liaison, mais d'autres solutions peuvent être utilisées sans sortir du cadre de l'invention. La Figures 39 est une coupe montrant un moyen de liaison par clipsage des corps entre eux. La Figures 40 est une coupe montrant un moyen de liaison par clipsage des axes entre eux. Dans un premier mode de réalisation illustré Figures 3 à 25, les liaisons mécaniques sont obtenues en associant : # Un corps . (ja), Figures 8 et 10 . (1 b), Figure 9 . Me], Figures 11, 16 et 17 . dd], Figure 12 (je), Figure 13 .1f), Figure 14 . (1g), Figure 15 . mm, Figures 18, 20 et 22 obtenu en assemblant 1i et 1j, Figures 19,21 et 23 # k), Figures 24 et 25 Un axe . [2a], Figures 8, 10, 11, 13, 14, 15, 18 set 19 . C2b], Figures 16, 17, 20, 21, 24 et 25 . (2c), Figure 23 . (2d), Figure 9 équipé de : - Une seule butée (3), Figures 11, 12,13, 14, 15,17 et 25 - Deux butées (3). Figures 8 et 9 La mise en contact d'un quelconque des corps avec un quelconque des axes limite leurs mouvements relatifs. Les butées (3) placées judicieusement sur les axes par leurs moyens d'assemblage avec ceux-ci prennent appui sur les surfaces de guidage des corps ce qui réduit encore les mobilités relatives entre axe et alésage. Les surfaces de guidage prévues sur les corps et sur lesquelles prennent appui les butées sont de quatre types : . Transversales C6a) Figures 8 et 9 Longitudinales (6b) aux Figures 11, 17 et (6g) Figure 25 . Hélicoïdales (6c. 6d, 6e et 6f) Figures 12, 13, 14 et 15 Une tige cylindrique de liaison (5a) est représentée à titre d'exemple sur chacun des axe et sur chacun des corps. Elle s'introduit par élasticité dans l'un des trous M prévus sur les axes et sur les corps, pour y être immobilisée par l'effet de l'élasticité des marériaux. Dans cette première réalisation, les corps selon l'invention sont : Un tube Figures 4A et 4B qui présente intérieurement une surface de guidage cylindrique (7a) destinée à contenir un axe, délimité par deux surfaces planes transversales de guidage (usa), Ce tube peut être long Ma) ou court, [1b). Ce tube peut être doté d'une lumière débouchante, fournissant deux surfaces de guidage longitudinales (Sb) Figure 4A ou de d'une lumière hélicoïdale fournissant deux surfaces de guidage (Be) Figure 4B. Ce tube comporte un système de liaison à positions multiples, solidaire du corps tubulaire dans lequel sont réalisés trois trous (4) perpendiculaires entre eux, dans lesquels pourront s'introduire en utilisant l'élasticité des matériaux, l'une quelconque des tiges de jonction t5a, 5b, 5c, 5d, 5e). e Un tube Ilk) qui peut prendre la forme représentée Figure 4C. La surface intérieure est ici composée d'une surface cylindrique (7bzw prolongée d'un coté par une surface conique (11) et de l'autre par une lèvre (12), ces trois surfaces sont prévues pour mettre en place par l'élasticité de la lèvre (12) un axe sphérique (2b) et d'interdire tout mouvement en translation de l'axe par rapport au corps. La mise en place sur l'axe sphérique (2b) d'une butée (3) comme le montre la Figure 5F, s'appuyant sur les surfaces planes (Bg) délimitant la rainure longitudinale, interdit la rotation de l'axe sphérique (2b) autour de l'axe du corps (1 k). e D'une plaque prismatique (ei), Figure 4D, présentant deux grandes surfaces planes parallèles (7d) sur lesquelles pourra prendre appui l'axe choisi et d'un système de raccordement à positions multiples (13) solidaire de cette plaque dans lequel sont réalisés trois trous (4) perpendiculaires entre eux dans lesquels pourront s'introduire par l'élasticité des matériaux, les tiges de jonction. La figure 4E, montre l'association de l'axe (1i) et d'une plaque (1j), cette dernière étant identique à celle constituant C1 i) mais ne comporte pas de système de raccordement (13). Elle présente donc deux grandes surfaces planes (7d). Cette plaque sera assemblée par emmanchement forcé sur un épaulement (14) de la douille de raccordement de Mi) par un trou (4bs. Dans cette première réalisation, les axes (2a, 2b, 2c, 2d] selon l'invention sont : e Un cylindres (2a) de section circulaire Figures 5A, 5B, 5C, destiné à entrer en contact avec un corps et comportant trois trous transversaux (8) destinés à recevoir les butées ainsi que cinq trous (4) (trois transversaux et deux axiaux), destinés à recevoir les tiges de jonction. Ce cylindre peut être long (2a) ou court, (2d), Figure 9. Les figures 5B et 5C montrent les dispositions habituelles des butées. Un cylindres de section carrée (2c) Figure 5D comportant à une extrémité trois trous (4) perpendiculaires entre eux dans lesquels pourront s'introduire en utilisant l'élasticité des matériaux, les tiges de jonction. a Une sphère [2b) comportant un trou (8) Figure 5E destiné à recevoir une butée [3) comme le montre la Figure 5F ainsi que deux trous [4) perpendiculaires entre eux et avec (8) destinés à recevoir les tiges de jonction. Il est également possible, comme le montre la Figure 22 d'utiliser un autre corps (1i) en guise d'axe. II est également à noter que les tiges de liaison amovibles (5a, 5b, 5c, 5d), introduites dans les trous (4) transversaux des axes peuvent servir de butées. Ainsi, le choix de la combinaison d'un corps et d'un axe équipé ou non d'une ou plusieurs butées permet la réalisation de liaisons mécaniques illustrées par les figures 8 à 25 données à titre d'exemples non limitatifs : la Figure 8 montre une liaison Pivot long (A), la Figure 9 montre une liaison Pivot court [B], ja Figure 10 montre une liaison Pivot glissant [C), la Figure 11 montre une liaison Glissière (0), ja Figure 12 montre une liaison Hélicoïdale à droite et à pas court (El. la Figure 13 montre une liaison Hélicoïdale à gauche et à pas court (F), la Figure 14 montre une liaison Hélicoïdale à droite et à pas long (G), la Figure 15 montre une liaison Hélicoïdale à gauche et à pas long (H). la Figure 16 montre une liaison Linéaire annulaire (1), . la Figure 17 montre une liaison Linéaire annulaire à doigt [J], la Figure 18 montre une liaison Linéaire rectiligne en contact avec un plan (K), la Figure 19 montre une liaison Linéaire rectiligne insérée entre deux plans (L). la Figure 20 montre une liaison Ponctuelle en contact avec un plan (N), la Figure 21 montre une liaison Ponctuelle insérée entre deux planes (0), . la Figure 22 montre une liaison Plane en contact avec un plan (P), ja Figure 23 montre une liaison Plane insérée entre deux planes (0), . la Figure 24 montre une liaison Sphérique (R], la Figure 25 montre une liaison Sphérique à doigt (S). Dans cette première réalisation, les tiges de jonction Figures SA, 6B, 6C, So et 6E selon l'invention sont amovibles et constituées : 'De tiges cylindriques droites (5a) # De tiges cylindriques courbes (5b, 5c, 5d). La tige (5d) pouvant aussi servir de manivelle. Une poulie (5e) Figure 6E, percée en son centre peut s'adapter aux tiges de jonction, aux axes ou aux alésages pour être raccordée par une courroie à un dispositif de mise en mouvement. Les tiges de jonctions peuvent en outre être raccordées entre elles Figures 7A et 78 en utilisant un manchon simple (9) ou un manchon multiple (1 ob L'assemblage d'une liaison mécanique avec un support comme illustré Figure 1 est réalisé selon une réalisation préférée de l'invention par une tige de jonction amovible assemblée d'une part à la liaison mécanique concernée et d'autre part à un support (15) par un trou dans celui-ci. Ainsi, le choix de la combinaison de liaisons mécaniques avec celui des tiges de jonction permet de construire un modèle volumique des mécanismes. Ce modèle permet principalement d'étudier les particularités statiques et cinématiques du mécanisme. Les dimensions des corps, des axes. des butées et des tiges de jonction ont été choisies pour permettre de multiples combinaisons entre eux et offrir à l'utilisateur la possibilité de modéliser de très nombreux mécanismes et lui permettre de donner libre court à son imagination créatrice. Les formes des corps, des axes des butées et des tiges ont été choisies pour qu'une fois réalisée, la modélisation obtenue avec le dispositif selon l'invention rappelle les formes de la modélisation schématique actuellement utilisée, voir Figures 1A et 1B. Il est a noter que par ailleurs, contrairement à la représentation graphique habituelle, la visualisation aisée des surfaces de guidage et des butées met en évidence les particularités qui conditionnent les caractéristiques cinématiques des liaisons mécaniques. Le matériau choisi pour la réalisation de l'invention à titre d'exemple non limitatif est un plastique retenu pour ses qualités de faible coût, de facilité de mise en oeuvre, de légèreté, d'élasticité et d'inoxydabilité. Les couleurs des corps, des axes, des butées et des tiges de liaisons ont été choisies différentes pour mieux distinguer leurs fonctions. Dans un autre mode de réalisation, les trois surfaces (7b), (11) et (12) Figure 4C peuvent être remplacées avantageusement par une surface sphérique. Bien entendu, de nombreuses variantes d'exécution sont possibles sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Ainsi, une variante selon l'invention représentée Figure 26 pourrait consister à assembler les butées (16) sur les corps (17) et prévoir les surfaces transversales, longitudinales et hélicoïdales, de guidage in 9), sur l'axe (18). Une autre réalisation pourrait consister à ce que les butées fassent partie des axes Figures 27,28 et 29. Les figures 27 et 28 montrent des butées faisant partie de l'axe en forme d'épaulement circulaire (20) et les Figure 27 et 28 ou d'un ergot (21) Figure 29. Ces axes seraient mis en place dans les corps après déformation élastique des matériaux. On peut aussi dans un autre mode de réalisation, obtenir des butées faisant partie des corps Figures 30 et 31. La figure 30 montre une butée en forme d'épaulement circulaire [22] contenant un axe dotée d'une gorge (23). La figure 31 présente un corps comportant une butée en forme d'ergot (24). Par ailleurs, le système de liaison à positions multiples pourrait être dissocié des corps et des axes mais faire partie des tiges de liaison. Enfin, une autre réalisation illustrée Figure 33 pourrait consister en un dispositif indépendant qui servirait d'intermédiaire entre les axes et les corps d'une part et les tiges de liaison d'autre part. La pièce (28) emmanchée par clipsage forcé (26) dans le corps (2) et pivotant autour d'un axe perpendiculaire à celui du corps. La pièce (29) emmanchée par clipsage forcé (27) dans 1281 pivotant autour d'un axe incliné à 450 par rapport à l'axe des pièces 28 et 29. La tige de liaison (5) étant emmanchée à force dans (29). Il est à noter que la section des tiges de liaison peut prendre de multiples formes ainsi qu'elles sont illustrées à titre d'exemple aux Figures 34,35, 36,37 et 38 pour améliorer leur élasticité. La liaison entre plusieurs tiges de jonction peut être obtenue comme le montrent les figures 7A, 7B et 32 données à titre d'exemples non limitatifs, par un manchon simple (9) figure 7A, par un manchon multiple (10) Figure 7B ou un prisme de raccordement (33) Figure 32. Chacun de ces éléments comporte un ou plusieurs trous (4) dans lesquels les tiges de jonction (5) peuvent être emmanchées à force. Enfin, les tiges de jonction pourraient être réalisées en matériau à mémoire de forme ce qui permettrait de remplacer les moyens d'assemblage à positions multiples par des moyens d'assemblage ordinaires. Il est également possible d'envisager la liaison directe des corps entre eux, comme illustré à titre d'exemple non limitatif Figure 39 par clipsage [30]. et des axes entre eux par clipsage [31], Figure 40 sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des tiges de jonction. " REVENDICATIONS" 1-Dispositif utilisé principalement pour l'enseignement, permettant la modélisation des mécanismes, caractérisé en ce qu'il est constitué par des éléments modulares et interchangeables qui sont : - uncorps (1a, 1b. 1c, 1d, 1e, 1f. 1g, 1i, 1j, 1k, 17) destiné à coopérer avec un axe pour supprimer entre eux au moins un degrés de liberté. - un axe (2a, 2b, 2c, 2d, 18]. chacun de ces éléments (corps et axe) supportant un système de liaison (4) qui permet son positionnement dans l'espace et la transmission d'efforts. 2-Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une ou des surfaces de guidage sur le corps ou sur l'axe, destinées à coopérer avec une ou des butées sur l'axe ou sur le corps. 3-Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le corps est tubulaire avec surfaces de guidage (usa, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f, 6g) et (7a, 7b, 7c) 4-Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le corps comprend au moins un plan (7d). 5-Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les butées (3, 20 et 21) font partie de l'arbre et les surfaces de guidage (6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f, 6g et 22) font partie du corps. 6-Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les butées t 16, 22 et 24) font partie du corps et les surfaces de guidage (19 et 23) font partie de l'arbre. 7-Dispositif selon l'une des revendications 2, 5 ou 6 caractérisé en ce que les butées ( 3 et 16) sont amovibles. 8-Dispositif selon l'une des revendications 2, 5 ou 6 caractérisé en ce que le système de liaison comprend des tiges 15, 5a, 5b, 5c, 5d] amovibles. 9-Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que les tiges amovibles servent aussi de butées.