DIMENSIONNEMENT DES COINCEURS A CAMES MECANIQUES

Conservatoire National des Arts et Métiers
Centre Régional Associé d'Aix-en-Provence | |
|Examen probatoire |
|du diplôme d'ingénieur C.N.A.M. |
|en |
|MECANIQUE |
|option Structures et Systèmes |
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|présenté par |
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|Armand RUSSO |
|Les outils de diagnostic et de surveillance vibratoire sur les machines|
|tournantes |
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|Sujet de M. François MALBURET |
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AVANT-PROPOS
Dimensionnement des coinceurs à cames mécaniques.
Ce document de synthèse essaye de déterminer ce qui a amené les fabricants
de coinceurs mécaniques à faire leur choix au niveau des matériaux et de la
technologie employée pour chacun des éléments constituants.
Ce rapport a pour objectifs :
- de décrire le fonctionnement des coinceurs mécaniques,
- de comprendre le contexte d'utilisation,
- d'analyser les performances demandées à chaque pièce.
SOMMAIRE AVANT-PROPOS 2
SOMMAIRE 3 I. Introduction 4
II. Description des coinceurs 5
2.1) Les coinceurs sur câble 5
2.2) Les coinceurs mécaniques rigides 5
2.3) Les coinceurs mécaniques flexibles 7
III. Principe général de fonctionnement des coinceurs 8
3.1) Angle de friction 8
3.2) Etude du frottement 9
3.3) La forme des cames 10
IV. Contexte d'utilisation 11
4.1) Facteur de chute 11
4.2) Force de choc 12
V. Etude pièce à pièce 14
5.1) Les cames 14
5.2) L'axe de rotation 15
5.3) Le corps du coinceur 16
5.4) Quincaillerie et câbles de commande 17
VI. Conclusion 18
VII. Bibliographie 19
VIII. Annexes 20
8.1) Les essais 20
8.2) Les Normes 20
8.3) Extrait du catalogue de WILD COUNTRY : 21
8.4) Dictionnaire des termes employés en escalade : 22
Introduction Les coinceurs mécaniques flexibles ou rigides, aussi appelés « friend »,
sont des systèmes mécaniques servant à la protection des chutes ou à la
progression d'un grimpeur. Ils sont destinés aux fissures verticales et
horizontales et sont capables de s'adapter à différentes tailles de
fissures. Après avoir fait une recherche documentaire sur ce type de
système, je vais explorer d'un point de vue mécanique leur fonctionnement
et leur limite d'usage. Je vais ensuite réaliser une analyse critique de
tous les composants de ces systèmes et envisager leur remplacement par des
pièces en matériaux composites. Enfin j'inclurai, en annexe, quelques
notions sur la normalisation et les essais de tels systèmes.
Description des coinceurs
Les coinceurs sont utilisés en escalade, ils permettent d'assurer le
grimpeur tout au long de sa progression. Il en existe différents types pour
différents usages :
. les coinceurs sur câble
. les coinceurs mécaniques rigides
. les coinceurs mécaniques flexibles 2.1) Les coinceurs sur câble Ne faisant pas partie du sujet, ce type de coinceur ne sera pas étudié
dans ce rapport, il me parait important de mentionner l'existence de
systèmes statiques qui assurent la même fonctionnalité. Ils sont
généralement étudiés pour de petites fissures, non parallèles. Ils ont
l'avantage d'être très légers, un code couleur permet rapidement de les
identifier pour une mise en place rapide. Leur forme est réalisée afin
d'avoir un maximum de surface de contact avec la roche. 2.2) Les coinceurs mécaniques rigides Ce sont les premières versions de coinceurs mécaniques, ils sont apparus
aux alentours des années 1970. Ces coinceurs sont de conception très
robuste. Ils ont une très bonne réputation en terme de durée de vie. Ils
sont généralement plus légers que le modèle équivalent de type flexible.
Ils sont constitués :
. d'un corps rigide en aluminium
. de 4 cames montées en opposition
. d'un axe de rotation en acier
. de ressorts qui maintiennent les cames en position ouverte
. de petits câbles de commande pour refermer les cames
La définition de ces coinceurs impose par contre des contraintes de
positionnement.
Pour bien travailler les efforts que doit subir le coinceur doivent être
dans l'axe du corps de celui-ci. Le corps rigide du friend l'oblige à être
bien positionné dans le sens de la chute. Dans le cas d'une fissure horizontale les coinceurs rigides ne travaillent
pas de la même manière. Le corps rigide n'est pas sollicité en traction,
mais en flexion (cf. fig. A). Dans ce cas seules les cames supérieures
empêchent le glissement. Le coinceur aurait tendance à pivoter autour du
point A. Fig. A Dans le cas d'une fissure peu profonde ou de fissures verticales, ce type
de coinceur n'est pas adapté. Sur les figures B et C on peut remarquer que
sous l'action de l'effort le coinceur va pivoter et s'extraire de son
logement. Il ne pourra donc pas limiter la chute du grimpeur. Fig. B Fig. C
Pour utiliser un coinceur mécanique rigide dans une fissure peu profonde il
faut se fixer grâce à une bride sur les trous près des cames. Le fait de
rapprocher le point d'application de la force de la tête du coinceur permet
de réduire le bras de levier. On peut considérer que le corps du coinceur
ne pivote plus car le point d'application de la force est très proche du
point d'appui de la came. Fig. D
2.3) Les coinceurs mécaniques flexibles Ces coinceurs sont constitués de la même manière que leur homologue
rigide :
. de 4 cames montées en opposition
. d'un axe de rotation en acier
. de ressorts qui maintiennent les cames en position ouvert
. de petits câbles de commande pour refermer les cames
La différence se retrouve dans la partie centrale du coinceur c'est-à-dire
le corps celui-ci étant constitué d'un câble équipé d'embouts de liaison
(A). Cette technologie est plus récente et a pour fonction de combler les
lacunes des coinceurs rigides que l'on a vu précédemment. Le câble souple
permet de guider l'effort et ainsi, dans une certaine limite, permet
d'utiliser au mieux les cames. L'effort se retrouve dans le plan de
rotation des cames du coinceur.
Les plus petits modèles de la gamme appelés les « zéros » sont très
souples. Cela leur permet une plus grande facilité d'utilisation :
Fig. E Fig. F Les coinceurs flexibles plus gros s'appellent les « coinceurs techniques »,
ils sont plus rigides et ont une flexibilité limitée : Fig. G Fig. H On pourrait se demander quelle différence y a-t-il pour les gros modèles
entre des coinceurs flexibles et rigides. Si on examine les schémas Figure
A-C et G-H on peut penser qu'il n'y a pas d'avantage aux coinceurs
flexibles. Or dans le cas de la figure G on remarque que grâce au câble,
l'effort est bien transmis aux cames, le coinceur est plus efficace. Principe général de fonctionnement des coinceurs Ce système ne comporte pas de pièce compliquée techniquement, chacun des
éléments reste simple. C'est pourquoi l'étude va se porter vers la zone de
contact, l'interface came / roche. 3.1) Angle de friction
Dans notre cas les matériaux considérés sont l'aluminium pour la came et
le granit qui est la roche que l'on retrouve principalement en escalade.
fs : force de frottement statique
?s : angle de friction statique
N : effort normal du support
Fig.I
On recherche l'angle ?s à partir duquel le bloc d'aluminium va se mettre
en mouvement. C'est-à-dire lorsque :
[pic]
[pic] ? étant le coefficient de frottement
Donc
[pic]
On peut écrire :
[pic]
En effectuant l'expérience décrite ci-dessus, on obtient un angle ?s de
18°.
3.2) Etude