Cet exercice validant est basé sur l'étude de la bielle : histoire, domaine d'applications, compositions, principe de fonctionnement, etc.
Généralités :
Une bielle est une pièce mécanique reliant deux articulations d'axes mobiles et permettant la transmission d'une force.
On l'associe à la manivelle dans le système bielle-manivelle qui permet la transformation d'un mouvement de rotation continue en mouvement alternatif de rotation ou de translation .
Une bielle est constituée de différentes parties que sont la tête, le pied ainsi que le corps.
Ces différentes parties ont des formes, des longueurs et des épaisseurs qui sont spécifiques à l'utilisation attendue de la bielle.
Il existe différents types de bielles qui ont chacun leurs caractéristiques propres.
Différentes bielles :
Elle est formée d'une seule pièce et donc nécessite l'utilisation d'un vilebrequin démontable (Figure 1).
La bielle est en deux parties, car la tête dispose d'un "chapeau" qui sera maintenu par des vis et/ou boulons.
Une bielle assemblée permet l'utilisation d'un vilebrequin monobloc et facilite les interventions sur les pièces en mouvement (Figure 2).
C'est un type peu répandu, la bielle principale est fendue au niveau de la tête pour permettre à la bielle secondaire de s'accoupler au même maneton du vilebrequin (Harley-Davidson, Indian) (Figure 3).
Les bielles sont conçues pour supporter des contraintes importantes. La composition, la longueur et la forme d'une bielle dépendent des contraintes qu'elle va subir :
- traction,
- compression,
- et aussi contrainte thermique.
Pour supporter ces contraintes, la bielle doit respecter certains critères de conception. Elle va avoir une forme particulière : la plupart des bielles ont un profil en I, et parfois un nervurage qui renforce la tête et le pied. De plus, on voit que le choix des matériaux est un critère décisif qui influencera la résistance mais aussi la légèreté de la bielle (Figure 4).
Historique :
Les premiers systèmes mécaniques de conception complexe sont un héritage de la mécanique grec.
Récemment, l'existence d'une bielle à la fin du IIIe siècle après J.-C. dans une scierie romaine d'Hiérapolis a été prouvée, ainsi que dans deux scieries du VIe siècle découvertes à Éphèse et Jerash. Leur mécanisme convertit le mouvement de rotation de la roue hydraulique dans le mouvement linéaire des lames de scie. Ces scieries sont à l'heure actuelle les plus anciennes machines connues à associer une bielle à une manivelle.
Au XVe siècle un manuscrit anonyme en langue allemande, daté des environs de 1430 et comportant plusieurs dessins de moulins à bras constituent la première représentation certaine de ce mécanisme ; on y distingue parfaitement les bielles manoeuvrées à bras reliées à des manivelles.
Viendront ensuite des machines de plus grandes tailles actionnées par les roues des moulins, comme la scie hydraulique, la pompe aspirante et foulante (XVIe siècle) pour pomper les eaux d'infiltration des mines ou pour approvisionner les villes en eau, comme Nuremberg au XVe siècle, Londres en 1582 ou encore Paris en 1608.
Enfin, le bielle-manivelle sera utilisée pour l'invention des marteaux hydrauliques qui permettront de forger des pièces de grandes dimensions.
Il faut bien être conscient du bouleversement sans précédent qu'a engendré l'apparition du système bielle-manivelle dans le développement des techniques et de la mécanique. Une interdiction survenue au début du XVe siècle montre combien cette invention pouvait être déstabilisante pour les gens. Bien que sa cinématique ait l'air apparemment triviale, elle cache de vrais problèmes techniques.
On constate qu'après plus d'un siècle d'existence, le moteur thermique n'a pu trouver d'autres alternatives pour transformer la variation de volume dans la chambre de combustion.
