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WO2001088880A2 - Maquette didactique sensorielle de liaisons mecaniques - Google Patents

Maquette didactique sensorielle de liaisons mecaniques Download PDF

Info

Publication number
WO2001088880A2
WO2001088880A2 PCT/FR2001/001526 FR0101526W WO0188880A2 WO 2001088880 A2 WO2001088880 A2 WO 2001088880A2 FR 0101526 W FR0101526 W FR 0101526W WO 0188880 A2 WO0188880 A2 WO 0188880A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
connection
usual
handle
mechanical
contact
Prior art date
Application number
PCT/FR2001/001526
Other languages
English (en)
Other versions
WO2001088880A3 (fr
Inventor
Robert Gourhant
Yves Braccini
Original Assignee
Robert Gourhant
Yves Braccini
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Gourhant, Yves Braccini filed Critical Robert Gourhant
Priority to AU62455/01A priority Critical patent/AU6245501A/en
Publication of WO2001088880A2 publication Critical patent/WO2001088880A2/fr
Publication of WO2001088880A3 publication Critical patent/WO2001088880A3/fr

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/06—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for physics
    • G09B23/08—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for physics for statics or dynamics
    • G09B23/10—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for physics for statics or dynamics of solid bodies

Definitions

  • the present invention relates to a didactic mock-up of the usual mechanical link (s) between at least two parts intended for teaching, certain means of which produce a sensory effect in the hands of the learners.
  • this model makes it possible to visualize the degrees of freedom between the two parts which compose it and to transmit directly to the learners' hands, the resultant R and the moment M, elements of reduction of the torsor associated with the mechanical actions transmissible by each link , without modifying its nature and intensity.
  • This tactile sensation indicating the presence or absence of the components of R and M according to the three directions of space, prepares the representation of the components of said torsor associated with mechanical actions, written at a given reduction point, in a local base B (xy z) given.
  • SA BERNAY AUTOMATION
  • the user can rotate the second part with respect to the first around an axis of the space imposed by the mobile support.
  • the learner can deduce from this that this connection allows, or prohibits, this degree of freedom and transmits, or not, the associated moment.
  • This experimental device is interesting but complicated to implement because it requires manipulations of the support which hinder the direct observation of the degrees of freedom of the connection and requires assembly and disassembly operations of the various parts of the connections on said supports.
  • the articulations of the mobile support and their return springs introduce parasitic forces which disturb the phenomenon observed and make it difficult to compare the connections with friction compared to the connections without friction.
  • a second device is also known - patent n ° FR-2 696 002 from JEUL ⁇ N (SA) - which consists on the one hand in directly connecting part of the connection to a drive handle on which the learner applies the results or the moments according to the three directions of space and on the other hand to link the receiving part to a monobloc assembly forming a trirectangle trihedron.
  • SA JEUL ⁇ N
  • This aforementioned assembly is equipped with strain gauges whose signals are processed by an electronic unit to calculate the components of the resultant and the moment, the display of the values being done on a computer screen.
  • This device is simple to use and it makes it possible to view the components of the torsor associated with the mechanical actions transmissible by the link in a frame of reference R (O, x, y, z), but it does not allow them to be physically felt on the part receptor.
  • computerized visualization reveals weak parasitic components which hamper the interpretation of the stresses exerted, when the learner applies said stress not perfectly directed along an axis of the reference frame.
  • a third device which is easier to use, which consists in holding in the hand a first part of the connection studied by means of a handle and bringing it into contact with the second part immobilized on a fixed support by a magnetic attraction process.
  • the learner can observe whether or not said second part opposes the displacement of the mobile part and feel if a mechanical action is exerted according to a direction given.
  • This device makes it possible to perceive in the hand the mechanical actions caused on the first part but not directly those exerted on the second, it is not aware of the transmission of the aforementioned action via the link.
  • the invention relates to a didactic mock-up of the usual mechanical link (s), comprising at least two parts in contact, a first part of which is connected directly to at least one manually gripping drive handle, characterized in that a second part is directly linked to at least one manually gripping receiving handle.
  • the device has a drive handle held by a first learner, directly connected to the first part of the link itself in contact - possibly via an intermediate part - with the second part linked directly to at least one receiving handle held by a second learner.
  • the second learner thus feels the mechanical actions exerted by the first learner transmitted via the link.
  • This receiving handle must have dimensions and a shape allowing a safe grip and an orientation in space.
  • this shape is chosen from at least one of the prismatic, conical, cylindrical, ovoid, or spherical shapes.
  • the handle can therefore have an aforementioned elementary geometric shape or a complex shape obtained by combining the latter.
  • this second handle removes the rigid support consisting of one or more assembled solids and avoids the operations of mounting and dismounting the connections studied on the latter.
  • the structure of the receiving handle has been described more particularly, the same description can be made for the driving handle in so far as " their role can be reversed.
  • the term” part "a solid or a set of solids in contact having a particular function in the constitution of the connection.
  • the intermediate parts can introduce a rigid or elastic character into the connection, increase or decrease friction of sliding, transforming sliding into rolling, introducing contact surfaces belonging to standard elements ... etc.
  • the receiving handle has a spherical gripping shape, either connected directly by a base and assembly means to the second part of the link, or directly installed in a single piece on the latter.
  • a spherical gripping shape either connected directly by a base and assembly means to the second part of the link, or directly installed in a single piece on the latter.
  • the receiving and / or driving handle comprises means creating a tactile perception arranged in three orthogonal directions concurrent with the center of the sphere.
  • one of the parts of said connection includes a contact plane
  • two of said orthogonal directions are parallel to the axes of symmetry of said plane;
  • one of the orthogonal directions is parallel to its longitudinal axis of symmetry and another is concurrent with the latter
  • the part of the connection has a surface spherical contact
  • one of the directions must be confused with the axis joining the center of said sphere with the center of the spherical grip shape
  • the part of the connection includes a spherical contact bore
  • one of the directions must be confused with the axis of revolution of the opening of said bore allowing the passage of the handle.
  • the means creating tactile perception are, for example, asperities, hollows, rods, nipples, rough areas, or any means obtained by the combination of the preceding means achieving tactile discontinuity on the gripping surface.
  • the handle having a spherical shape for example, has on its surface advantageously two or four asperities - ovoid caps of small diameters for example - arranged radially in pairs and in opposition on two orthogonal diameters, and a third or fifth asperity disposed on the diameter perpendicular to the other two, on the side opposite to the connection, said diameters being oriented relative to the contact surfaces of the connection in the directions described above.
  • the orthonormal local base associated with the link - composed of three unit vectors named x, y, z, or i, j, k or any other name - is directly linked to at least part of the latter because, during the solicitations exerted by the learner in a motor situation on the receiving learner, the characteristic axes of said link can change orientation relative to a reference general linked to a fixed reference solid.
  • the model advantageously includes means for materializing three unit vectors of an orthonormal base, said means being detachably linked to at least one of the parts.
  • the three orthogonal vectors of said base are represented, for example, by screen-printed, inlaid traces or labels glued on at least one surface of each of the three means - small elongated prisms, plates, cylinders, for example - said means being themselves linked by removable assembly means consisting of permanent magnets, stickers, cylinders engaging tightly or clipped into holes preferably made on the receiving part. Any other means of materialization and assembly is suitable.
  • said vectors of this base are parallel to the longitudinal axes of said means.
  • the first two vectors are parallel to the two axes of orthogonal symmetries contained in a contact plane of a part of the connection - or two radiating axes to a contact cylinder - and the third vector is directed according to the normal to said plane or according to a parallel to the axis of revolution of said cylinder.
  • the geometric center of said spherical gripping surface is located on the normal to the contact plane of said part, raised to the geometric center of the latter, on the side opposite the aforementioned contact.
  • the geometric center of the spherical surface of the handle is located on the longitudinal axis of symmetry of said bore, preferably at the geometric center of the latter.
  • Said sphere is extended on either side by two cylinders having for axis, said longitudinal axis of symmetry of the contact surface.
  • the geometric center of the spherical surface of the receiving and / or driving handle is coincident with the geometric center of the spherical contact bore of said part.
  • the connections consist of materials having a low density - northern fir, an aluminum alloy, or a plastic material for example - and have a combination of geometric shapes of thin thicknesses. According to a method of obtaining by molding, they are reinforced by ribs so as to obtain good rigidity and negligible part weights at the level of tactile perception.
  • the shapes and the arrangements of the receptor handles can be transferred to the drive handles.
  • the pivot connections, sliding pivot, slide, and helical connections may comprise two handles linked to the same part. One is oriented in a radial direction elevated to the geometric center of a contact cylinder, and the second is arranged along the longitudinal axis of symmetry of the connection.
  • the learner therefore has the possibility of grasping either the longitudinal handle to apply -or receive- a pure axial force, or the radial handle to transmit -or receive- a radial and / or axial force combined with a moment of radial tilting.
  • the device according to the invention makes it possible to demonstrate experimentally that the expression of the torsor of the mechanical actions transmissible by a link, is modified - or preserved in certain particular directions - when the reduction point is moved.
  • a second handle directed parallel to the first and located on an axis of symmetry of the contact plane of said part.
  • this displacement can -be obtained by exploiting the asymmetry of the motor and receiver handles thanks to an inversion of the users' function, The user in the motor position becoming receiver - and vice versa - in order to cause, on the receiver side, a displacement of the characteristic point of the input relative to the axis or to the center of the studied connection.
  • the handles may have a shape which allows two different gripping positions.
  • This form is obtained by the combination of a portion of sphere - with its means materializing the three directions of space - for gripping in a receiving situation, and a cylinder - or a portion of an ovoid - having a diameter and a length adequate for grasping in a driving situation, said cylinder being arranged coaxially to the sphere between the latter and the usual connection, and perpendicular to the plane or to the contact cylinder between the two parts of the connection.
  • a flange concentric with the cylinder, on the side opposite to the sphere, and having fillets serves as a stop by hand and avoids contact with the other mobile part.
  • An object of the invention to highlight the mechanical actions transmissible by frictionless connections. For this, it is necessary to reduce friction, either by coating the contacting surfaces with a thin layer of a material having a low friction factor - tetrafluoroetylene for example - or by interposing between the driving part and the part receiver of the connection, a third part comprising rolling elements.
  • This third part can also be constituted by at least one standard element comprising rolling elements - a ball bearing, a needle bushing, etc., for example.
  • a component of the standard element is linked to the driving part, and another component of said element is linked to the receiving part of the connection.
  • the geometric center of the spherical gripping surface of the receiving handle is coincident with that of said standard element comprising rolling elements.
  • This handle is extended laterally, on the side opposite the drive handle, by a cylinder coaxial with the axis of revolution of the standard element, in order to allow a second gripping position which makes it possible to clear a space for the observation of the degrees of freedom of said element.
  • Another object of the invention consists in highlighting the mechanical actions transmissible by the friction links. For this, it is necessary on the contrary to increase the friction between the two parts so as to cause at the handles new tactile sensations in certain directions compared to the connection of the same type without friction.
  • the third and possible fourth part each consist of a plate and / or pads made of a material with a high friction factor and each fixed to one of the other two parts by assembly means consisting of 'A bonding, of permanent magnets, or of axes clipped into holes made in the corresponding part, for example.
  • assembly means consisting of 'A bonding, of permanent magnets, or of axes clipped into holes made in the corresponding part, for example.
  • a third part consisting, for example, of a split elastic ring with a high friction factor, said ring coming to be mounted in a groove made in one of the parts, and prevented in its rotational movement relative to said part by an obstacle linked to the latter - a pin for example - coming to be interposed in the slot.
  • a third part, and possibly a fourth part produced by two cylindrical buffers sliding coaxially in the second part, each comprising a concave spherical cap with high and possibly elastic friction factor.
  • Said buffers are clamped in opposition against the sphere, either by a clean elastic effect, or by separate elastic elements - frustoconical "star" washers, for example, and prevented from rotating relative to said part by means of rotational connection , said means being constituted, for example, of pins slidably engaged in a diametral slot made in the aforementioned buffers. Any other rotational connection means and means for axially clamping said buffers is suitable.
  • Another object of the invention consists in highlighting the influence of the rigidity of the materials in contact on the degrees of freedom and the mechanical actions transmissible by a given type of connection.
  • a third deformable part between the driving part and the receiving part of the connection.
  • This third part may consist of a plate of substantial thickness, or of a cylinder, composed of an elastic material - an elastomer, for example - linked to at least one of the parts of the connection.
  • the elastic connection can also be achieved by inserting between the two parts of the connection a third part consisting of an elastic standard element - a Paulstra seal (registered trademark), or an elastic coupling, for example - each of the two components ends is linked either to the driving part or to the receiving part of the link, themselves linked to the driving or receiving handle, by assembly means either permanent or removable.
  • a third part consisting of an elastic standard element - a Paulstra seal (registered trademark), or an elastic coupling, for example - each of the two components ends is linked either to the driving part or to the receiving part of the link, themselves linked to the driving or receiving handle, by assembly means either permanent or removable.
  • FIG. 1 shows in exploded perspective, the device of the invention adapted to the support plane support with its associated local base.
  • FIG. 2 shows in exploded perspective, the device of the invention adapted to the pivot-sliding connection with its associated local base.
  • FIG. 3 shows in perspective, the device of the invention adapted to the linear straight link.
  • FIG. 4 shows in perspective, the device of the invention adapted to the sphere-plane connection.
  • FIG. 5 shows in orthogonal projection and in section, a form of spherical handle with asperities according to the invention, connected by a rod to a cylindrical part.
  • FIG. 6 shows in perspective, a form of spherical handle with five asperities according to the invention, linked by a rod to a prismatic ribbed part.
  • FIG. 7 shows in orthogonal projection and in section, a variant of handle shape allowing an entry in two positions and the reported roughness.
  • FIG. 8 shows in perspective, the device of the invention with two handles adapted to the pivot connection.
  • FIG. 9 shows in exploded perspective, the device of the invention adapted to the sphere-cylinder and / or spherical connection with friction.
  • - Figure 10 shows in perspective, the device of the invention adapted to the slide connection.
  • FIG. 11 shows in perspective, the device of the invention adapted to the helical connection.
  • FIG. 12 shows in perspective, the device of the invention adapted to the spherical connection.
  • - Figure 13 shows in orthogonal projection and in section, an alternative embodiment of the spherical connection according to the invention allowing a separation of the two parts.
  • - Figure 14 shows in orthogonal projection and in section, an embodiment according to the invention, of a spherical connection using a standard element comprising rolling elements.
  • FIG. 15 shows in orthogonal projection and in section, an embodiment according to the invention, of an elastic connection using a standard elastic element.
  • FIG. 16 shows in exploded perspective, the device of the invention, suitable for the plane support connection, with two receiving handles and two intermediate plates made of a material with a high friction factor.
  • FIG. 17 shows in perspective, the device of the invention adapted to the pivot-sliding connection, with two intermediate elastic rings made of a material with a high friction factor.
  • the didactic mock-up of usual mechanical connection comprises at least two parts in contact (FIG. 1), of which a first part (la) is directly linked to at least one manually gripping drive handle (4), characterized in that a second part (2a) is directly linked to at least one manually gripping receiving handle (5).
  • the receiving (5b) and / or possibly driving (4) entry form is linked to (la) or (2a) by a base (5a) and assembly means.
  • These aforementioned handles must have dimensions and a shape allowing a safe grip and an orientation in space. For this purpose, it is chosen from at least one of the prismatic, conical, cylindrical, ovoid or spherical forms.
  • Said shape can therefore be an elementary geometric shape or a complex shape obtained by combining the latter and adapting ergonomically to the learner's hand.
  • Said handles are made of wood, aluminum alloy, or injected plastic and the assembly means with the corresponding part of the connection are made - depending on the material - by overmolding, welding or gluing, for example .
  • the receiving handle has a spherical gripping shape (5b), making it possible to better perceive, in three directions of space, the result and the moment transmissible by the link.
  • connections which include a part having a contact plane (3 a) or (3b) (plane support connections, rectilinear linear, sphere-plane) said part is a rectangular parallelepiped. Said plan is square in shape and, to be visible from the back of the classroom, its side measures approximately 150 mm.
  • the geometric center O'i or O ' 2 of the gripping surface will preferably be arranged on the normal of a contact plane (3a) or ( 3b) raised to the geometric center Oi or O 2 of said contact plane, on the side opposite the contact.
  • Figures 3 and 4 show an embodiment of the straight linear and sphere-plane connections according to which the second part of each connection is constituted respectively by a cylinder (2b) in contact along its generatrix with the plane (3a) of the first part (la), and by a portion of sphere (2c) in punctual contact with said plane (3a).
  • the longitudinal axis of the handle (5) linked to said part (2b) is concurrent with the axis of revolution (9) of the cylinder, oriented perpendicularly to the latter, and located substantially half of said cylinder, to easily apply stresses in preferred directions without parasitic effects.
  • the geometric center O 3 of the sphere of the sphere-plane connection is on the longitudinal axis of symmetry of said handle (5) (fig. 4).
  • the first part (10a) of the connection comprises a cylinder mounted in coincidence with a cylindrical bore (12) belonging to the second part of the connection (lia) , said part having a cylindrical outer shape (14b) advantageously combined, with at least one spherical cap (14a), shapes allowing the gripping and forming the receiving handle.
  • the geometric center O 4 of the spherical cap will be merged with the geometric center O 5 of the bore (12).
  • the drive handle (13) is linked directly by assembly means - a weld, a bonding, for example - to the first part (10a), the said handle having a spherical grip shape (13b) combined with a base ( 13a) making the junction with said part.
  • the longitudinal axis of symmetry of said drive handle will coincide with the axis (9) of the cylinder (10a), oriented perpendicularly to the latter, and located substantially at half of said cylinder, in order to easily apply stresses according to preferred directions without parasitic efforts.
  • a longitudinal opening (15) will be made over all or part of the length of the part (lia).
  • the spherical shapes for gripping the receiving handles (5b) and (13b) -and possibly those of the driving handles- made of northern fir , made of aluminum alloy, or plastic are linked by suitable assembly means - a bonding, an overmolding or a weld, for example - at the end (19) of a rod (18), produced made of steel or aluminum alloy, the opposite end (20) of said rod being fixed by the same said means to one of the parts (la), (2a), or (10a) belonging to the connection.
  • the spherical gripping shape comprises means creating a tactile perception arranged in three orthogonal directions concurrent with the geometric center of the sphere.
  • these means are produced by asperities arranged on three orthogonal diameters.
  • Figure 6 shows the arrangement of said roughness on a handle associated with a connecting part having a contact plane.
  • the receiving handle -and possibly the driving handle- has on its surface four asperities (21a), (21b), (22a), (22b), arranged in pairs and in opposition, on two perpendicular diameters (24) , (25) and a last asperity (23) on a third diameter (26) perpendicular to the other two, on the side opposite to the connection, said diameters (24) and (25) are arranged parallel to the plane of the connection and to the axes of symmetries (27), (28) of the latter.
  • the drive handle - or receiver - linked to the connection parts comprising a contact cylinder (fig.
  • the asperities (22a), (22b) are on a parallel diameter (24) to the axis of revolution (9) of the contact cylinder (10a), and (23) is on a diameter (26) perpendicular to the axis (9) named above.
  • This arrangement of the roughness is transposable on a connecting part comprising a prism, the longitudinal axis of symmetry replacing the axis of revolution (9).
  • the spherical handle located directly on the part having a cylindrical or prismatic bore (pivot, pivot-sliding, sliding, or helical), has on its surface two asperities (21a), (21b), arranged in opposition on a diameter (29) perpendicular to the axis of the bore (12) and to the plane of symmetry of the opening (15) as well as a third asperity (23) on a diameter (30) perpendicular to said previous diameter and to said axis of the bore, on the side opposite to the opening (15).
  • the arrangement of the asperities on the drive handle - or receiver - linked to a part having a contact sphere, is illustrated in FIG. 12.
  • an asperity (23) is located on the axis joining the center of the sphere contact O 3 and the center O ' 3 of the input sphere; and the other (23) on the axis of revolution of the conical trunk opening (58), on the side opposite to said opening; the other asperities being arranged on diameters perpendicular to the directions described above.
  • the roughness (21a), (21b), (22a), (22b), and (23) are attached to the spherical shape using a means of assembly.
  • This variant makes it possible to endow the asperities with colors different from those of the sphere, and to assign a specific color to each direction of the space for educational purposes.
  • the assembly means shown consists of a cylindrical shape belonging to the asperity mounted in a bore (31) produced in the sphere in a radiating manner, of an axial stop of said asperity on a flat bottom (32), and of a collage.
  • This variant can be generalized to all handle shapes and any other means of assembly is suitable.
  • the orthonormal local base represented in FIGS. 1 and 2, composed of three orthogonal vectors (33), (34), (35), is materialized by means on at least one of the parts constituting the connection - preferably the receiving part - so that the interpretation of the experimental results is not disturbed by the changes in orientation of the bond, which would be the case if said base was linked to a fixed reference solid.
  • Said vectors are represented with their denomination x, y, z -or i, j, k or any other designation- on the lateral faces of three means -elongated prisms (39), (40), (41), for example- removably linked by assembly means to said part of the connection.
  • the longitudinal axes - if they exist - of said means are oriented in three orthogonal directions of space, and said assembly means consist, for example, of elastic cylinders (42), (43), (44) linked to the prisms and coming to be mounted tightly or clipped in holes (36), (37), (38) made in said part of the connection.
  • These vectors can be obtained by screen printing, for example, on the surfaces of said means.
  • the longitudinal axes of the first two means are parallel to the axes of perpendicular symmetries (27), (28) contained in the named plane of said part, and the axis of the third means is perpendicular to said plane, on the side opposite the contact.
  • the first two means - elongated prisms for example - are arranged in two directions perpendicular to each other and radiating from the bore (12), said prisms being linked via the same assembly means described above coming to engage in holes (36), (37), produced on the surface of the cylindrical handle (14b) radiantly; the third means is directed in a direction parallel to the axis of revolution of the bore (12) and linked by identical assembly means coming to engage in a hole (38) made perpendicular to the end side face of the part (lia).
  • this arrangement shown can be reversed and any other removable assembly means is suitable.
  • the parts (la), (2a), (10a), (lia) ,. ..etc .. are made with a low density material - from northern fir, or an aluminum alloy, for example.
  • said parts are made of injected plastic of small thickness and stiffened by ribs. According to this production process, a part having a contact plane is shown in FIG. 6.
  • Each part (la), (2a) mentioned above may comprise, on the side opposite to the contact plane (3a) or (3b), at the at least one cylindrical hub (6) with an axis of revolution perpendicular to said plane and allowing rigid cylindrical assembly with the handle (4) or (5), reinforcing ribs (7) perpendicular to said plane and arranged radially to the hub, and a thin skirt (8) perpendicular to the above-mentioned plane and surrounding the latter over the entire periphery, so as to produce a light and rigid assembly supporting the forces exerted by the learners on the handles.
  • each ribbed part (la), (2a) may be dressed, on the face opposite to the contact, with a thin flat plate of plastic material.
  • the second part (lia), (11b), (lie), (lld), can comprise at at least two ribs made up of thin rings concentric with the contact cylinder and arranged on the external cylindrical surface of said part, at opposite ends, and in planes perpendicular to the axis of revolution of said cylinder.
  • they can be masked by at least one cylindrical sleeve centered and glued on their periphery, said sleeve being concentric with the contact bore (12).
  • the handle has a shape illustrated in FIG. 7 - obtained by molding or by turning - which allows gripping in two positions, in order to be able to reverse the role of motor and receiver of learners, or favor the perception of the resultant R or the moment M of the torsor.
  • the spherical shape (5b) allows gripping in the receiving position and it is extended, on the connection side, by a coaxial cylindrical shape (5a) whose length and diameter allow gripping in a position rather reserved for motor function.
  • said cylindrical shape ending in a coaxial flange (32), provided with fillets, serving as a stop for the hand and avoiding any risk of contact of the latter with the neighboring mobile part.
  • said handles are directly connected to the parts (la), (2a) or (10a) of the connecting part by a short cylindrical rod (18) -in steel or aluminum alloy- glued on each of the pieces to be linked.
  • the junction surface with the part of the connection may be constituted by an end plane belonging to the base (5a), perpendicular to the longitudinal axis of the handle, directly glued to the surface of the part of the connection, on the side opposite the contact; or by a shouldered cylindrical shape coaxial with (5a) and adjusting - with a possible bonding - in a bore of said part of the connection.
  • FIG. 8 illustrates a possible embodiment of the pivot connection, which has, in addition to the two parts of revolution (10b), (11a) and of the handles (13) and (14) already described in the sliding pivot connection, means providing axial stops constituted, for example, by two washers (42) and (43) centered on the cylinder (10b) and bearing on the end faces on either side of the part (lia) and two pin pins (44) passing right through said cylinder.
  • the means carrying out the axial stops can be produced by rings added and glued to said cylinder (10b) instead. washers (42) and (43).
  • Figure 9 illustrates a possible embodiment of the sphere-cylinder connection which has, on the one hand a part (11b) whose essential forms have already been described for the receiving part (1 la) of the pivot-sliding connection and on the other hand, a sphere (2c) realizing the driving part slidably engaged in the cylindrical bore (12) and linked directly to the handle (5).
  • this connection it is possible to transform this connection into a spherical connection by mounting axially, by the two opposite ends, two cylindrical buffers (45) linked to said part (1 lb). This arrangement will be described later, in detail, in the paragraph relating to the spherical connection with friction.
  • FIG. 10 illustrates a possible embodiment of the slide link. It comprises on the one hand, a part (lie) -whose outer part has already been described in the pivot-sliding connection- having an internal prismatic bore (51) and on the other hand, a part (10c) of lateral shape prismatic (52) sliding in said prismatic bore and linked to the drive handles (13) and (14) already described above.
  • the part (lie) has a lateral opening (53) allowing the passage of the part (13a) of the handle (13) and authorizing the axial translation of said handle.
  • FIG. 11 illustrates a possible embodiment of the helical connection. It has on the one hand, a part (Hd) -whose essential forms have already been described in the pivot-sliding connection- and on the other hand, a cylindrical part (lOd) mounted in the cylindrical bore (12) and linked to the axial handle (14).
  • the cylinder (10d) has on its surface a cylindrical stud (54), arranged radially approximately in the middle of its length, which engages in a sliding manner in a helical groove (55) produced in said part (lld).
  • the stud (54) can be extended towards the outside of the groove (55) in order to allow the fixing, at its end opposite to the part (1 Od), of a radial drive handle .
  • An exemplary embodiment of the spherical connection is shown in FIG. 12,
  • this connection comprises, on the one hand, a part (2c) produced by a sphere linked to the handle (5), and on the other hand, a part (56) constituted by a hollow spherical cap, produced in wood, aluminum alloy, or injected plastic.
  • Said cap comprises a concentric spherical bore (57), coincident with the sphere constituting the part (2c) and a frustoconical opening (58) allowing passage and oscillation of the handle (5)
  • the part (56) consists of two half spherical caps glued -or welded- along a diametral plane (59) in order to allow, before assembly of said half-caps, the mounting of the part (2c) in the bore (57).
  • the part (56) is made in one piece and has a conical trunk opening (60) removing at least half a sphere from (57), said opening allowing a radial mounting of the part (2c) in the spherical bore (57).
  • the opening (58) has the form of a groove arranged in the diametrical plane of the spherical bore, on a semicircle approximately, and lets slide the cylindrical shape (5a) connecting the gripping surface (5b) to the corresponding part of the connection.
  • An object of the invention to highlight the mechanical actions transmissible by frictionless connections.
  • suitable materials to constitute the parts of the connection, or to coat the contact planes (3a), (3b), the sphere (2c), and the cylinders (10a), (12), a thin layer of a material having a low friction factor - tetrafluoroethylene, for example - process not illustrated in the following.
  • interpose between the driving part and the receiving part, a third part consisting of a standard element comprising rolling elements - a ball bearing, a needle sleeve, etc.
  • a component of the standard element (67) - the inner ring of a spherical bearing, for example - is linked to the driving part ( 63a), and another component of said element - the outer ring of said bearing, for example - is linked to the receiving part (62a) of the link on which the receiving handle (62c), (62d) is directly located.
  • This receiving handle allows two gripping positions and comprises, for this purpose, a spherical shape (62c) for gripping whose geometric center O 7 is coincident with that of the bearing so that the expression of the torsor transmissible by the bearing is not modified.
  • FIG. 14 shows a bearing assembly between the two parts (63a) and (62a) making a spherical connection between the latter.
  • the inner ring of the bearing is tightly mounted and / or bonded to a shoulder of a stepped shaft (69) produced on said driving part (63a), the latter also comprising, at the opposite end, a bore ( 64) coaxial allowing assembly glued with the end of the handle (61a).
  • the outer ring of the bearing is slidably mounted in the bore (66) produced in the receiving part (62a), said ring being stopped in translation by the spacer (50) bearing axially on the bottom of the bore (66) and by the elastic ring for bore (71).
  • Said part (62a) also comprises a bore of smaller diameter (68) allowing the bonded assembly of the intermediate axis (49a) which here realizes an angular stop coming into contact with the recess (65) during the swiveling of the bearing .
  • this same intermediate axis (49a) plays the role of second part for the mounting of standard elements different from said bearing (67).
  • One can also make an equivalent sphere-cylinder connection by associating in series a ball joint and a pivot-sliding connection. For this purpose, in the assembly described above, it is possible to remove the spacer (50) and the elastic ring (71) and make the bearing (67) sliding in the bore (66). The spherical connection is thus transformed into a sphere-cylinder connection using the same standard element (67).
  • connection by means of a standard element comprising rolling elements is not limited to the previous example, one can also use standard elements such as rigid ball, cylindrical or tapered roller bearings , needle; ball bushings; axial thrust ball bearings or needles, ... etc.
  • said standard elements can be associated in series by mounting a first standard element on the drive part of the connection and a second element mounted between said first element and the receiving part of the link. They can also be arranged in parallel by mounting, for example, two bearings on the drive part of the link in a coaxial manner and by centering them on the receiving part.
  • the handles can be assembled with said driving (63a) and receiving (49a) part, by means allowing disassembly of said handles in order to allow the mounting of different standard elements.
  • means allowing disassembly is described later in the text and illustrated in FIG. 15.
  • Another object of the invention consists in highlighting the mechanical actions transmissible by the friction links.
  • a constructive arrangement not shown, for the plane support connection at least one of the contact planes (3a) or (3b) is coated with a material with a high friction factor and / or has rough or grainy surfaces.
  • a constructive arrangement it is also possible to interpose between the two parts of the connection at least a third part produced, for example, by a plate made of a material with a high friction factor - an elastomer, for example - and bonded to one of said parties.
  • a constructive variant represented in FIG.
  • the third part produced by a plate (77) is linked to one of the parts by assembly means constituted by at least two elastic pins (78), for example, coming to be clipped in bores (79) made in parts (lb) and / or (2b).
  • assembly means constituted by at least two elastic pins (78), for example, coming to be clipped in bores (79) made in parts (lb) and / or (2b).
  • the cylindrical part (10f) has at least one groove (81), receiving the third part - and possibly another groove receiving a fourth part- consisting of an elastic ring with a high friction factor.
  • Said part may be composed, on the inside, of a ring split cylindrical elastic (83).
  • the mounting of this ring in the groove (81) is done in two stages. Firstly, it is open to slide over the outside diameter of the cylinder (10f), and secondly, by elasticity, it closes in the groove. Once the ring is closed with play in the groove, an obstacle linked to said cylinder (10f) -constituted by the pin (84), for example- suppresses the rotation around the axis of revolution of said ring, coming s' engage in the slot of the latter.
  • said split ring (82), (83) -of a slightly larger relaxed diameter- closes the elastomer part comes press against said bore and causes significant friction which slows the rotational and / or translational movement of (lOf) relative to (lia).
  • said part (lOf) may include several variants of different lengths and several grooves for mounting several rings to increase friction.
  • a third sliding part comprising a concave spherical cap made of a material with a high friction factor and / or elastic, said part being clamped against the sphere by an elastic element and prevented from rotating by means.
  • FIG. 9 An example of a particular embodiment is shown in FIG. 9.
  • the sphere (2c) is mounted in the bore (12) of the part (11b) and it is clamped between a third and fourth part - two cylindrical buffers (45 ) each having a concave spherical cap (46) - slidingly mounted in the bore (12).
  • One of the buffers is in contact with the pin (49) linked to (11b) and the other is pushed against the sphere by one or more elastic elements (48) - frustoconical elastic washers "star", for example- mounted in a counterbore (45b) produced in said buffer on the side opposite to the spherical cap and interposed between the end of said counterbore and the pin (49), said pin being engaged in a diametrical hole (47) belonging to the part (11b) .
  • Said pads (45) are movable in translation and prevented in their rotational movement about their axis of revolution relative to said part (11b) by rotational connecting means constituted, for example, of said pins (49) engaged so sliding in a diametrical slot (45a) produced in each of said buffers on the side opposite to the spherical cap.
  • rotational connecting means constituted, for example, of said pins (49) engaged so sliding in a diametrical slot (45a) produced in each of said buffers on the side opposite to the spherical cap.
  • Other means allowing the axial displacement of the pads and opposing their rotation is suitable.
  • Another object of the invention consists in highlighting the influence of the rigidity of the materials in contact on the degrees of freedom and the mechanical actions transmissible by a given type of connection.
  • a third deformable part can be inserted between the driving part and the receiving part of the link.
  • this third part may consist of a plate -or of a cylinder- of substantial thickness composed of an elastic material -an elastomer, for example- linked to at least one of the parts of the bond.
  • a third part can be inserted between the two parts of the connection, constituted by an elastic standard element - a Paulstra seal (registered trademark) or an elastic coupling, for example - each of whose two end components is linked to one of the parts of the bond.
  • FIG. 15 illustrates an exemplary embodiment using an elastic coupling (72).
  • the bore of the end component of said element engages on the cylindrical end (73a) of the drive part (63b) of the connection and the assembly is held in position by the action of a screw pressure (70) blocked using a tool passing through the opening (75) made in the part (62b).
  • the bore of the component located at the other end of the elastic coupling (72) is engaged on the cylindrical end (73b) of the receiving part (49b) of the connection and secured by a second pressure screw (70), said receiving part is directly engaged in the bore (68) belonging to the handle (62b) and detachably held by the pressure screw (76a), for example, screwed into the sleeve (76b ) stuck in said handle (62b).
  • the drive part of the link (63b) has, on the side opposite to the standard element, a bore (64) allowing the connection with the cylindrical end of the drive handle (61b).
  • the end of the latter is engaged in said bore (64) and pressurized by the end of a screw (74), screwed radially in the driving part (63b) , coming to bear on the bottom of a groove, and blocked manually by the user using a knurled head, for example.
  • the handles can be assembled on the parts of the connection in a non-removable manner by an assembly means - a bonding, for example - identical to that described above and illustrated in FIG. 14.
  • the invention therefore makes it possible, for educational purposes, to visualize the movements between the two parts of a mechanical connection and to transmit in a tactile way, by means of handles directly graspable by the hands of the learners, the elements of reduction of the associated torsor mechanical actions transmissible by said link. These reduction elements are sensory materialized by means arranged in three orthogonal directions which avoid a fixed support.
  • the device relates to connections with or without friction, rigid or elastic, involving standard elements or not, it is simple to handle, without assembly and disassembly operation on a support, and does not involve any modification of the mechanical actions transmitted. by connections in the hands of learners.

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Abstract

La présente invention concerne une maquette de liaison(s) mécanique(s) usuelle(s) constituée d'au moins deux parties (1a, 2a) en contact. La première partie (1a) est reliée à une poignée motrice (4) tenue par un premier apprenant, et la deuxième partie (2a) est liée à une poignée réceptrice (5) tenue par un deuxième apprenant. Les dites poignées possèdent préférentiellement une surface sphérique (5b) de saisie, sur laquelle sont disposés des moyens provoquant une sensation tactile selon les trois directions orthogonales de l'espace. Cette maquette permet de visualiser les degrés de liberté entre deux solides en contact et de déterminer, selon la sensation tactile ressentie dans la main, la présence ou l'absence de chaque composante des éléments de réduction R et M du torseur associé aux actions mécaniques transmissibles par la liaison, en un point de réduction donné, dans une base locale B(x, y, z) matérialisée par des moyens (39, 40, 41).

Description

MAQUETTE DIDACTIQUE SENSORIELLE DE LIAISONS MECANIQUES La présente invention concerne une maquette didactique de liaisonfs) mécanique(s) usuelle(s) entre au moins deux parties destinée à l'enseignement dont certains moyens produisent un effet sensoriel dans les mains des apprenants. Cette maquette permet selon ces moyens, de visualiser les degrés de liberté entre les deux parties qui la compose et de transmettre directement aux mains des apprenants, la résultante R et le moment M, éléments de réduction du torseur associé aux actions mécaniques transmissibles par chaque liaison, sans en modifier la nature et l'intensité. Cette sensation tactile, indiquant la présence ou l'absence des composantes de R et M selon les trois directions de l'espace, prépare la représentation des composantes dudit torseur associé aux actions mécaniques, écrit en un point de réduction donné, dans une base locale B (x. y. z) donnée. Cette maquette matérialise une liaison usuelle de type sphère-plan, sphère-cylindre, linéaire rectiligne, appui-plan., pivot, pivot-glissant, glissière, hélicoïdale, sphérique, ou sphérique à doigt, considérée séparément ou toute liaison équivalente obtenue par la combinaison desdites liaisons usuelles associées en série ou en parallèle. Selon le but recherché, ces liaisons mécaniques peuvent comporter soit:
- des surfaces de contact avec ou sans frottements
- des surfaces de contact avec glissement ou avec roulement
- des surfaces rigides en contact direct ou par l'intermédiaire d'éléments élastiques.
On connaît la mise en évidence expérimentale des degrés de liberté et des actions mécaniques dans une liaison par un premier dispositif -brevet n° FR-2 691 825 de BERNAY AUTOMATION (SA)- qui consiste à monter une première partie de la liaison sur un support fixe et la deuxième partie sur un support mobile en translation et en rotation selon les trois directions de l'espace. L'apprenant peut exercer une force dans une direction qui à tendance à faire glisser la deuxième partie par rapport à la première selon cette même direction imposée par le support mobile. En observant si la première partie fixe s'oppose à la translation de la deuxième ou, si au contraire elle l'autorise, l'utilisateur peut en déduire que la liaison autorise ou non ce degré de liberté et transmet ou non l'effort associé. A un autre moment, l'utilisateur peut effectuer une rotation de la deuxième partie par rapport à la première autour d'un axe de l'espace imposé par le support mobile. En observant si la première partie fixe s'oppose à la rotation de la deuxième, ou si au contraire elle l'autorise, l'apprenant peut en déduire que cette liaison permet, ou interdit, ce degré de liberté et transmet, ou non, le moment associé. Ce dispositif expérimental est intéressant mais compliqué à mettre en oeuvre car il nécessite des manipulations du support qui gênent l'observation directe des degrés de liberté de la liaison et requière des opérations de montage et démontage des différentes parties des liaisons sur lesdits supports. De plus, les articulations du support mobile et leurs ressorts de rappel introduisent des efforts parasites qui perturbent le phénomène observé et rendent difficile l'étude comparée des liaisons avec frottements par rapport aux liaisons sans frottements.
On connaît également un deuxième dispositif -brevet n° FR-2 696 002 de JEULΓN (SA)- qui consiste d'une part à relier directement une partie de la liaison à une poignée motrice sur laquelle l'apprenant applique les résultantes ou les moments selon les trois directions de l'espace et d'autre part à lier la partie réceptrice à un ensemble monobloc formant un trièdre trirectangle. Cet ensemble précité est équipé de jauges de contraintes dont les signaux sont traités par une unité électronique pour calculer les composantes de la résultante et du moment, l'affichage des valeurs se faisant sur un écran d'ordinateur. Ce dispositif est simple d'utilisation et il permet de visualiser les composantes du torseur associé aux actions mécaniques transmissibles par la liaison dans un repère R (O, x, y, z), mais il ne permet pas de les ressentir physiquement sur la partie réceptrice. D'autre part, la visualisation informatisée fait apparaître des composantes parasites faibles qui gênent l'interprétation des sollicitations exercées, lorsque l'apprenant applique ladite sollicitation non parfaitement dirigée selon un axe du repère. Enfin, il nécessite des opérations de montage et de démontage des différentes liaisons sur le support et des tâches d'initialisation du système de mesure assez longues.
On connaît aussi un troisième dispositif plus simple d'utilisation qui consiste à tenir dans la main une première partie de la liaison étudiée par l'intermédiaire d'une poignée et de la mettre en contact avec la deuxième partie immobilisée sur un support fixe par un procédé d'attraction magnétique. En exerçant sur ladite première partie une résultante ou un moment selon les trois directions de l'espace, l'apprenant peut observer si ladite deuxième partie s'oppose ou non au déplacement de la partie mobile et ressentir si une action mécanique est exercée selon une direction donnée. Ce dispositif permet de percevoir dans la main les actions mécaniques provoquées sur la première partie mais pas directement celles exercées sur la deuxième, il n'a pas conscience de la transmission de l'action précitée par l'intermédiaire de la liaison.
Le dispositif selon l'invention poursuit des buts proches, permet de remédier à ces inconvénients et exploite de façon plus approfondie les effets sensoriels. Plus précisément, l'invention concerne une maquette didactique de liaison(s) mécanique(s) usuelle(s), comprenant au moins deux parties en contact, dont une première partie est reliée directement à au moins une poignée motrice manuellement préhensible, caractérisée en ce qu'une deuxième partie est liée directement à au moins une poignée réceptrice manuellement préhensible.
Selon cette caractéristique essentielle de l'invention, le dispositif possède une poignée motrice tenue par un premier apprenant, liée directement à la première partie de la liaison elle même en contact -éventuellement par l'intermédiaire d'une partie intercalaire- avec la deuxième partie liée directement à au moins une poignée réceptrice tenue par un deuxième apprenant. Le deuxième apprenant ressent ainsi les actions mécaniques exercées par le premier apprenant transmises par l'intermédiaire de la liaison. Cette poignée réceptrice doit avoir des dimensions et une forme permettant une préhension sûre et une orientation dans l'espace. Dans ce but, cette forme est choisie parmi l'une au moins des formes prismatique, conique, cylindrique, ovoïde, ou sphérique. La poignée peut donc avoir une forme géométrique élémentaire susnommée ou une forme complexe obtenue par combinaison de ces dernières. Par ailleurs, cette deuxième poignée supprime le support rigide constitué d'un ou de plusieurs solides assemblés et évite les opérations de montage et de démontage des liaisons étudiées sur ce dernier. Dans le texte, on a décrit plus particulièrement la structure de la poignée réceptrice, la même description peut être faite pour la poignée motrice dans la mesure" où leur rôle peut-être inversé. D'autre part, on entend par le terme "partie" un solide ou un ensemble de solides en contact ayant une fonction particulière dans la constitution de la liaison. Dans cet esprit, on a décrit une partie motrice -ou première partie- liée à la poignée motrice, une partie réceptrice -ou deuxième partie- liée à la poignée réceptrice, une ou plusieurs parties intercalaires -ou troisième, quatrième... parties- ayant une fonction spécifique entre les deux dites parties. Les parties intercalaires peuvent introduire dans la liaison un caractère rigide ou élastique, augmenter ou diminuer les frottements de glissement, transformer le glissement en roulement, introduire des surfaces de contact appartenant à des éléments standards... etc
Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, la poignée réceptrice comporte une forme sphérique de saisie, soit reliée directement par une embase et des moyens d'assemblage à la deuxième partie de la liaison, soit directement implantée de façon monobloc sur cette dernière. Cette forme permet d'exercer dans la main de l'utilisateur, d'une part une poussée selon un axe, modélisée par une résultante R et, d'autre part un glissement rotationnel autour d'un axe quelconque, modélisé par un moment M, et ceci selon les trois directions orthogonales de l'espace. C'est pourquoi la forme sphérique, est mieux adaptée à la perception de ces deux éléments de réduction du torseur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, afin de matérialiser l'espace à trois dimensions de façon tactile dans la main de l'utilisateur, dans un mode de réalisation préféré, la poignée réceptrice et/ou motrice comporte des moyens créant une perception tactile disposés selon trois directions orthogonales concourantes avec le centre de la sphère. Afin de percevoir des sensations tactiles selon des directions caractéristiques de la liaison, de façon préférée, lorsque l'une des parties de ladite liaison comporte un plan de contact, deux desdites directions orthogonales sont parallèles aux axes de symétrie dudit plan; lorsque la partie de ladite liaison comporte une surface cylindrique ou prismatique de contact, l'une des directions orthogonales est parallèle à son axe de symétrie longitudinal et une autre est concourante à ce dernier, enfin, lorsque la partie d'une liaison comporte une surface sphérique de contact, l'une des directions doit être confondue avec l'axe joignant le centre de ladite sphère avec le centre de la forme sphérique de saisie, enfin lorsque la partie de la liaison comporte un alésage sphérique de contact, l'une des directions doit être confondue avec l'axe de révolution de l'ouverture dudit alésage permettant le passage de la poignée. Les moyens créant la perception tactile sont, par exemple, des aspérités, des creux, des tiges, des tétons, des zones rugueuses, ou tout moyen obtenu par la combinaison des précédents moyens réalisant une discontinuité tactile sur la surface de préhension. La poignée ayant une forme sphérique, par exemple, possède sur sa surface de façon avantageuse deux ou quatre aspérités -des calottes ovoïdes de petits diamètres par exemple- disposées radialement deux par deux et en opposition sur deux diamètres orthogonaux, et une troisième ou cinquième aspérité disposée sur le diamètre perpendiculaire aux deux autres, du côté opposé à la liaison, lesdits diamètres étant orientés par rapport aux surfaces de contact de la liaison selon les directions décrites ci-dessus. Dans l'invention, la base locale orthonormée associée à la liaison -composée de trois vecteurs unitaires nommés x, y, z, ou i, j, k ou toute autre appellation- est liée directement à au moins une partie de cette dernière car, au cours des sollicitations exercées par l'apprenant en situation motrice sur l'apprenant récepteur, les axes caractéristiques de ladite liaison peuvent changer d'orientation par rapport à un repère général lié à un solide de référence fixe. Ainsi, de façon plus générale, la maquette comporte avantageusement des moyens pour matérialiser trois vecteurs unitaires d'une base orthonormée, lesdits moyens étant liés de façon amovible à l'une au moins des parties. Les trois vecteurs orthogonaux de ladite base sont représentés, par exemple, par des tracés sérigraphiés, incrustés, ou des étiquettes collées sur au moins une surface de chacun des trois moyens -des petits prismes allongés, des plaques, des cylindres, par exemple- lesdits moyens étant eux mêmes liés par des moyens d'assemblage amovibles constitués, d'aimants permanents, d'autocollants, de cylindres s'engageant de façon serrée ou clipsée dans des trous réalisés de préférence sur la partie réceptrice. Tout autre moyen de matérialisation et d'assemblage convient. De façon avantageuse, lesdits vecteurs de cette base sont parallèles aux axes longitudinaux desdits moyens. Les deux premiers vecteurs sont parallèles aux deux axes de symétries orthogonaux contenus dans un plan de contact d'une partie de la liaison -ou deux axes rayonnants à un cylindre de contact- et le troisième vecteur est dirigé selon la normale audit plan ou selon une parallèle à l'axe de révolution dudit cylindre.
Selon une disposition avantageuse, afin de ne pas modifier l'expression des torseurs transmissibles transférés au centre de la surface de saisie réceptrice et/ou motrice, pour la partie possédant un plan de contact (liaisons appui-plan, linéaire rectiligne, et sphére-plan), le centre géométrique de ladite surface sphérique de saisie est situé sur la normale au plan de contact de ladite partie, élevée au centre géométrique de ce dernier, du côté opposé au contact précité.
Avantageusement encore, et toujours dans le but de ne pas modifier l'expression des torseurs transférés au centre de la surface de saisie réceptrice et/ou motrice, pour les parties possédant un alésage cylindrique ou prismatique de contact (liaisons pivot, pivot-glissant, sphère-cylindre, glissière, et hélicoïdale), le centre géométrique de la surface sphérique de la poignée, est situé sur l'axe longitudinal de symétrie dudit alésage, de préférence au centre géométrique de ce dernier. Ladite sphère est prolongée de part et d'autre par deux cylindres ayant pour axe, ledit axe longitudinal de symétrie de la surface de contact. Pour la partie possédant un alésage sphérique de contact (liaison sphérique, ou sphérique à doigt), le centre géométrique de la surface sphérique de la poignée réceptrice et/ou motrice, est confondu avec le centre géométrique de l'alésage sphérique de contact de ladite partie.
Avantageusement encore, et dans un but identique à celui énoncé au paragraphe précédent, les liaisons sont constituées de matériaux ayant une masse volumique faible - du sapin du nord, un alliage d'aluminium, ou une matière plastique par exemple- et possèdent une combinaison de formes géométriques d'épaisseurs minces. Selon un mode d'obtention par moulage, elles sont renforcées par des nervures de façon à obtenir une bonne rigidité et des poids de pièces négligeables au niveau de la perception tactile, Avantageusement toujours, ce qui a été décrit concernant les formes et les dispositions des poignées réceptrices est transposable sur les poignées motrices.
Selon une autre caractéristique de l'invention, dans le but d'appliquer ou de recevoir des sollicitations isolément, et non pas combinées, les liaisons pivot, pivot glissant, glissière, et hélicoïdale peuvent comporter deux poignées liées à une même partie. L'une est orientée selon une direction radiale élevée au centre géométrique d'un cylindre de contact, et la deuxième est disposée selon l'axe longitudinal de symétrie de la liaison. L'apprenant a donc la possibilité de saisir soit la poignée longitudinale pour appliquer -ou recevoir- un effort axial pur, soit la poignée radiale pour transmettre -ou recevoir- une force radiale et/ou axiale combinée à un moment de basculement radial. Dans un même esprit, pour les liaisons avec frottement possédant un plan de contact dans au moins une partie, il est avantageux de prévoir deux poignées reliées à ladite partie selon deux directions orthogonales, La première est disposée selon la direction normale à un plan de contact et la deuxième est orientée tangentiellement et selon un axe de symétrie audit plan, Cette dernière permet à l'apprenant de ressentir directement la résultante des actions mécaniques tangentielles provoquées par le contact avec frottement.
Le dispositif selon l'invention, permet de mettre en évidence expérimentalement que l'expression du torseur des actions mécaniques transmissibles par une liaison, est modifiée -ou conservée selon certaines directions particulières- lorsque l'on déplace le point de réduction. Pour cela, il est avantageux d'implanter sur une même partie comportant un plan, une deuxième poignée dirigée parallèlement à la première et située sur un axe de symétrie du plan de contact de ladite partie, Pour les autres types de liaisons, ce déplacement peut-être obtenu en exploitant la dissymétrie des poignées motrice et réceptrice grâce à une inversion de la fonction des utilisateurs, L'utilisateur dans la position motrice devenant récepteur - et réciproquement- afin de provoquer, coté récepteur, un déplacement du point caractéristique de la saisie par rapport à l'axe ou au centre de la liaison étudiée. Dans ce but, selon une variante de réalisation avantageuse, les poignées peuvent avoir une forme qui permet deux positions différentes de saisie. Cette forme est obtenue par la combinaison d'une portion de sphère -avec ses moyens matérialisant les trois directions de l'espace- pour la préhension en situation réceptrice, et d'un cylindre -ou d'une portion d'ovoïde- ayant un diamètre et une longueur adéquats pour la saisie en situation motrice, ledit cylindre étant disposé coaxialement à la sphère entre cette dernière et la liaison usuelle, et perpendiculairement au plan ou au cylindre de contact entre les deux parties de la liaison. Avantageusement, une collerette concentrique au cylindre, côté opposé à la sphère, et possédant des congés, sert de butée à la main et évite le contact avec l'autre partie mobile.
Un but de l'invention consiste à mettre en évidence les actions mécaniques transmissibles par les liaisons sans frottements. Pour cela, il est nécessaire de réduire les frottements, soit en revêtissant les surfaces en contact d'une couche mince d'un matériau ayant un facteur de frottement faible -du tétrafluorétyléne par exemple-, soit en intercalant entre la partie motrice et la partie réceptrice de la liaison, une troisième partie comportant des éléments roulants. Cette troisième partie peut être aussi constituée par au moins un élément standard comportant des éléments roulants -un roulement à billes, une douille à aiguilles,... etc.. par exemple. Selon cette disposition constructive, un composant de l'élément standard est lié à la partie motrice, et un autre composant dudit élément est lié à la partie réceptrice de la liaison. De façon identique aux liaisons de même type précédemment décrites, le centre géométrique de la surface sphérique de saisie de la poignée réceptrice est confondu avec celui dudit élément standard comportant des éléments roulants. Cette poignée est prolongée latéralement, du côté opposé à la poignée motrice, par un cylindre coaxial à l'axe de révolution de l'élément standard, afin de permettre une deuxième position de saisie qui permet de dégager un espace pour l'observation des degrés de liberté dudit élément. Un autre but de l'invention consiste à mettre en évidence les actions mécaniques transmissibles par les liaisons avec frottements. Pour cela, il est nécessaire au contraire d'augmenter les frottements entre les deux parties de façon à provoquer au niveau des poignées des sensations tactiles nouvelles selon certaines directions par rapport à la liaison de même type sans frottement. On a la possibilité de réaliser un revêtement de surface constitué d'un matériau à facteur de frottement élevé et/ou transformer la surface lisse en surface granuleuse. On a aussi la possibilité d'intercaler entre lesdites parties motrices et réceptrices au moins une troisième partie qui présente une surface rugueuse et/ou un facteur de frottement élevé -un élastomère, par exemple-. Selon un mode de réalisation particulier, pour les liaisons comportant un plan de contact entre les δ
deux parties, la troisième et éventuelle quatrième partie sont constituées chacune d'une plaque et/ou de patins composés d'un matériau à facteur de frottement élevé et fixés chacun à l'une des deux autres parties par des moyens d'assemblage constitués d'un collage, d'aimants permanents, ou d'axes clipsés dans des trous réalisés dans la partie correspondante, par exemple. Selon un mode de réalisation particulier relatif aux liaisons possédant un cylindre de contact entre les deux parties, on a la possibilité d'intercaler au moins une troisième partie constituée, par exemple, d'une bague élastique fendue à facteur de frottement élevé, ladite bague venant se monter dans une gorge réalisée dans l'une des parties, et empêchée dans son mouvement de rotation par rapport à ladite partie par un obstacle liée à cette dernière -une goupille par exemple- venant s'interposer dans la fente. Selon un mode de réalisation particulier relatif à la liaison sphérique, on a la possibilité d'intercaler une troisième partie, et éventuellement une quatrième partie, réalisées par deux tampons cylindriques coulissants de façon coaxiale dans la deuxième partie, comportant chacun une calotte sphérique concave à facteur de frottement élevé et éventuellement élastique. Lesdits tampons sont serrés en opposition contre la sphère, soit par un effet élastique propre, soit par des éléments élastiques séparés -des rondelles tronconiques "étoile", par exemple, et empêchés en rotation par rapport à ladite partie par des moyens de liaison en rotation, lesdits moyens étant constitués, par exemple, de goupilles engagées de façon coulissante dans une fente diamétrale réalisée dans les tampons précités. Tout autre moyen de liaison en rotation et de moyen de serrage axial desdits tampons convient.
Un autre but de l'invention consiste à mettre en évidence l'influence de la rigidité des matériaux en contact sur les degrés de liberté et les actions mécaniques transmissibles par un type de liaison donné. Dans ce but, on a la possibilité d'intercaler une troisième partie déformable entre la partie motrice et la partie réceptrice de la liaison. Cette troisième partie peut être constituée d'une plaque d'épaisseur importante, ou d'un cylindre, composé d'un matériau élastique -un élastomère, par exemple- lié à l'une des parties au moins de la liaison. Ainsi, il est possible de mettre en évidence sur la poignée réceptrice l'effet particulier des sollicitations introduites par la poignée motrice, et d'observer les degrés de liberté nouveaux qui apparaissent entre les deux parties de la liaison, par rapport à la liaison rigide de même type. La liaison élastique peut aussi être réalisée en intercalant entre les deux parties de la liaison une troisième partie constituée par un élément standard élastique -un joint Paulstra (marque déposée), ou un accouplement élastique, par exemple- dont chacun des deux composants extrémités est lié soit à la partie motrice soit à la partie réceptrice de la liaison, elles mêmes liées à la poignée motrice ou réceptrice, par des moyens d'assemblage soit permanents soit démontables.
Ces caractéristiques et ces avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre en relation avec les figures annexées où:
- La figure 1 représente en perspective éclatée, le dispositif de l'invention adapté à la liaison appui-plan avec sa base locale associée.
- La figure 2 représente en perspective éclatée, le dispositif de l'invention adapté à la liaison pivot-glissant avec sa base locale associée. - La figure 3 représente en perspective, le dispositif de l'invention adapté à la liaison linéaire rectiligne.
- La figure 4 représente en perspective, le dispositif de l'invention adapté à la liaison sphère-plan.
- La figure 5 représente en projection orthogonale et en coupe, une forme de poignée sphérique avec aspérités selon l'invention, liée par une tige à une partie cylindrique.
- La figure 6 représente en perspective, une forme de poignée sphérique avec cinq aspérités selon l'invention, liée par une tige à une partie prismatique nervurée.
- La figure 7 représente en projection orthogonale et en coupe, une variante de forme de poignée permettant une saisie selon deux positions et les aspérités rapportées.
- La figure 8 représente en perspective, le dispositif de l'invention avec deux poignées adapté à la liaison pivot.
- La figure 9 représente en perspective éclatée, le dispositif de l'invention adapté à la liaison sphère-cylindre et/ou sphérique avec frottement. - La figure 10 représente en perspective, le dispositif de l'invention adapté à la liaison glissière.
- La figure 11 représente en perspective, le dispositif de l'invention adapté à la liaison hélicoïdale.
- La figure 12 représente en perspective, le dispositif de l'invention adapté à la liaison sphérique.
- La figure 13 représente en projection orthogonale et en coupe, une variante de réalisation de la liaison sphérique selon l'invention permettant une séparation des deux parties. - La figure 14 représente en projection orthogonale et en coupe, une réalisation selon l'invention, d'une liaison sphérique mettant en oeuvre un élément standard comportant des éléments roulants.
- La figure 15 représente en projection orthogonale et en coupe, une réalisation selon l'invention, d'une liaison élastique mettant en oeuvre un élément standard élastique.
- La figure 16 représente en perspective éclatée, le dispositif de l'invention, adapté à la liaison appui-plan, avec deux poignées réceptrices et deux plaques intercalaires constituées d'un matériau à facteur de frottement élevé. - La figure 17 représente en perspective, le dispositif de l'invention adapté à la liaison pivot-glissant, avec deux bagues élastiques intercalaires constituées d'un matériau à facteur de frottement élevé.
En référence à ces dessins, selon la caractéristique essentielle de l'invention, la maquette didactique de liaison(s) mécanique(s) usuelle(s) comprend au moins deux parties en contact (figure 1), dont une première partie (la) est liée directement à au moins une poignée motrice (4) manuellement préhensible, caractérisée en ce qu'une deuxième partie (2a) est liée directement à au moins une poignée réceptrice (5) manuellement préhensible. La forme de saisie réceptrice (5b) et/ou éventuellement motrice (4) est liée à (la) ou (2a) par une embase (5a) et des moyens d'assemblage. Ces poignées précitées doivent avoir des dimensions et une forme permettant une préhension sûre et une orientation dans l'espace. Dans ce but, elle est choisie parmi au moins une des formes prismatique, conique, cylindrique, ovoïde, ou sphérique. Ladite forme peut donc être une forme géométrique élémentaire ou une forme complexe obtenue par combinaison de ces dernières et s'adaptant de façon ergonomique à la main de l'apprenant. Lesdites poignées sont réalisées en bois, en alliage d'aluminium, ou en matière plastique injectée et les moyens d'assemblage avec la partie correspondante de la liaison sont constitués -selon le matériau- par un surmoulage, une soudure ou un collage, par exemple.
Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, la poignée réceptrice comporte une forme sphérique de saisie (5b), permettant de mieux percevoir, selon les trois directions de l'espace, la résultante et le moment transmissibles par la liaison.
Pour les liaisons qui comprennent une partie possédant un plan de contact (3 a) ou (3b) (liaisons appui plan, linéaire rectiligne, sphère-plan) ladite partie est un parallélépipède rectangle. Ledit plan est de forme carrée et, pour qu'il soit visible du fond de la salle de classe, son côté mesure 150 mm environ.
Afin de ne pas modifier l'expression des torseurs transmissibles au point de saisie, le centre géométrique O'i ou O'2 de la surface de saisie sera disposé de façon préférentielle sur la normale d'un plan de contact (3a) ou (3b) élevée au centre géométrique Oi ou O2 dudit plan de contact, du côté opposé au contact.
Les figures 3 et 4 montrent un exemple de réalisation des liaisons linaire rectiligne et sphère-plan selon laquelle la deuxième partie de chaque liaison est constituée respectivement par un cylindre (2b) en contact selon sa génératrice avec le plan (3a) de la première partie (la), et par une portion de sphère (2c) en contact ponctuel avec ledit plan (3a). Pour la liaison linéaire rectiligne, l'axe longitudinal de la poignée (5) liée à ladite partie (2b) est concourant avec l'axe de révolution (9) du cylindre, orienté perpendiculairement à ce dernier, et situé sensiblement à la moitié dudit cylindre, afin d'appliquer facilement des sollicitations selon des directions privilégiées sans effets parasites. Pour les mêmes raisons qu'au paragraphe précédent, le centre géométrique O3 de la sphère de la liaison sphère-plan est sur l'axe longitudinal de symétrie de la dite poignée (5) (fig. 4).
Selon un exemple de réalisation de la liaison pivot-glissant (fig. 2), la première partie (10a) de la liaison comporte un cylindre monté en coïncidence avec un alésage cylindrique (12) appartenant à la deuxième partie de la liaison (lia), ladite partie ayant une forme extérieure cylindrique (14b) combinée de façon avantageuse, avec au moins une calotte sphérique (14a), formes permettant la saisie et réalisant la poignée réceptrice. De façon préférentielle, afin de ne pas modifier l'expression du torseur transmissible transféré au point de saisie, le centre géométrique O4 de la calotte sphérique sera confondu avec le centre géométrique O5 de l'alésage (12). La poignée motrice (13) est liée directement par des moyens d'assemblage -une soudure, un collage, par exemple- à la première partie (10a), la dite poignée possédant une forme sphérique de saisie (13b) combinée avec une embase (13a) faisant la jonction avec ladite partie. Préférentiellement, l'axe longitudinal de symétrie de la dite poignée motrice sera concourant avec l'axe (9) du cylindre (10a), orienté perpendiculairement à ce dernier, et situé sensiblement à la moitié dudit cylindre, afin d'appliquer facilement des sollicitations selon des directions privilégiées sans efforts parasites. Selon cette disposition particulière avantageuse, une ouverture longitudinale (15) sera réalisée sur tout ou partie de la longueur de la partie (lia). A cette fin, un quart de cylindre environ est enlevé, sur tout ou partie de la longueur, pour permettre le déplacement en translation selon l'axe longitudinal de (12), et en rotation de 90° environ autour du même axe, de l'ensemble constitué par la poignée (13) et la partie (10a). Afin d'appliquer des efforts axiaux purs, l'apprenant à la possibilité de pouvoir exercer sur ladite partie (10a) des efforts selon une autre orientation, grâce à une deuxième poignée (14) disposée de façon coaxiale au cylindre de (10a). On retrouvera certaines de ces dispositions sur la liaison pivot, glissière, ou hélicoïdale sans qu'elles soient à nouveau décrites. Le montage de la partie (10a) par rapport à la partie (lia) se fera axialement lorsque les faces latérales (16) et (17) de l'ouverture sont rayonnantes par rapport à l'alésage (12). Selon une disposition constructive particulière non représentée, le montage peut se faire radialement si l'ouverture (15) est réalisée sur au moins un demi- cylindre (12), selon un principe d'assemblage proche de celui représenté à la figure 13.
Selon une variante constructive représentée figures 5, 6, et 7, et généralisable à l'ensemble des liaisons, les formes sphériques de saisie des poignées réceptrices (5b) et (13b) -et éventuellement celles des poignées motrices- réalisées en sapin du nord, en alliage d'aluminium, ou en matière plastique, sont liées par des moyens d'assemblages adéquats -un collage, un surmoulage ou une soudure, par exemple- à l'extrémité (19) d'une tige (18), réalisée en acier ou en alliage d'aluminium, l'extrémité opposée (20) de ladite tige étant fixée par les mêmes dits moyens à l'une des parties (la), (2a), ou (10a) appartenant à la liaison.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la forme sphérique de préhension comporte des moyens créant une perception tactile disposés selon trois directions orthogonales concourantes avec le centre géométrique de la sphère. Selon une disposition constructive particulière, représentée figures 5 et 6, ces moyens sont réalisés par des aspérités disposées sur trois diamètres orthogonaux. La figure 6 montre la disposition desdites aspérités sur une poignée associée à une partie de liaison possédant un plan de contact. Selon cette disposition, la poignée réceptrice -et éventuellement la poignée motrice- comporte sur sa surface quatre aspérités (21a), (21b), (22a), (22b), disposées par paires et en opposition, sur deux diamètres perpendiculaires (24), (25) et une dernière aspérité (23) sur un troisième diamètre (26) perpendiculaire aux deux autres, du côté opposé à la liaison, lesdits diamètres (24) et (25) sont disposés parallèlement au plan de la liaison et aux axes de symétries (27), (28) de cette dernière. Sur la poignée motrice -ou réceptrice- liée aux parties de liaisons comportant un cylindre de contact (fig. 5), les aspérités (22a), (22b) sont sur un diamètre (24) parallèle à l'axe de révolution (9) du cylindre de contact (10a), et (23) est sur un diamètre (26) perpendiculaire à l'axe (9) prénommé. Cette disposition des aspérités est transposable sur une partie de liaison comportant un prisme, l'axe longitudinal de symétrie remplaçant l'axe de révolution (9). La poignée sphérique, représentée figure 8, implantée directement sur la partie possédant un alésage cylindrique ou prismatique (liaisons pivot, pivot-glissant, glissière, ou hélicoïdale), possède sur sa surface deux aspérités (21a), (21b), disposées en opposition sur un diamètre (29) perpendiculaire à l'axe de l'alésage (12) et au plan de symétrie de l'ouverture (15) ainsi qu'une troisième aspérité (23) sur un diamètre (30) perpendiculaire audit diamètre précédent et audit axe de l'alésage, du côté opposé à l'ouverture (15). La disposition des aspérités sur la poignée motrice -ou réceptrice- liée à une partie possédant une sphère de contact, est illustrée à la figure 12. Selon cette disposition, une aspérité (23) se trouve sur l'axe joignant le centre de la sphère de contact O3 et le centre O'3 de la sphère de saisie; et l'autre (23) sur l'axe de révolution de l'ouverture tronc conique (58), du côté opposé à ladite ouverture; les autres aspérités étant disposées sur des diamètres perpendiculaires aux directions précédemment décrites.
Selon une variante de réalisation (figures 7 et 13), les aspérités (21a), (21b), (22a), (22b), et (23) sont rapportées sur la forme sphérique à l'aide d'un moyen d'assemblage. Cette variante, permet de doter les aspérités de couleurs différentes de celles de la sphère, et d'attribuer une couleur spécifique à chaque direction de l'espace à des fins pédagogiques. Le moyen d'assemblage représenté est constitué d'une forme cylindrique appartenant à l'aspérité montée dans un alésage (31) réalisé dans la sphère de façon rayonnante, d'un arrêt axial de ladite aspérité sur un fond plat (32), et d'un collage. Cette variante est généralisable à toutes les formes de poignée et tout autre moyen d'assemblage convient.
Selon l'invention, la base locale orthonormée, représentée figures 1 et 2, composée de trois vecteurs orthogonaux (33), (34), (35), est matérialisée par des moyens sur l'une au moins des parties constituant la liaison -de préférence la partie réceptrice- afin que l'interprétation des résultats expérimentaux ne soit pas perturbée par les changements d'orientation de la liaison, ce qui serait le cas si ladite base était liée à un solide de référence fixe. Lesdits vecteurs sont représentés avec leur dénomination x, y, z -ou i, j, k ou toute autre appellation- sur les faces latérales de trois moyens -des prismes allongés (39), (40), (41), par exemple- liés de façon amovible par des moyens d'assemblage à ladite partie de la liaison. Les axes longitudinaux -s'ils existent- desdits moyens sont orientés selon trois directions orthogonales de l'espace, et lesdits moyens d'assemblage sont constitués, par exemple, de cylindres élastiques (42), (43), (44) liés aux prismes et venant se monter de façon serrée ou clipsée dans des trous (36), (37), (38) réalisés dans ladite partie de la liaison. Ces vecteurs pourront être obtenus par sérigraphie, par exemple, sur les surfaces desdits moyens. Pour la partie possédant un plan de contact, représentée figure 1, les axes longitudinaux des deux premiers moyens sont parallèles aux axes de symétries perpendiculaires (27), (28) contenus dans le plan prénommé de ladite partie, et l'axe du troisième moyen est perpendiculaire audit plan, du côté opposé au contact. Pour la partie possédant un cylindre, illustrée figure 2, les deux premiers moyens - des prismes allongés, par exemple- sont disposés selon deux directions perpendiculaires entre elles et rayonnantes à l'alésage (12), lesdits prismes étant liés par l'intermédiaire des mêmes moyens d'assemblage décrits précédemment venant s'engager dans des trous (36), (37), réalisés sur la surface de la poignée cylindrique (14b) de façon rayonnante; le troisième moyen est dirigé selon une direction parallèle à l'axe de révolution de l'alésage (12) et lié par des moyens d'assemblage identiques venant s'engager dans un trou (38) réalisé perpendiculairement à la face latérale extrémité de la partie (lia). Bien entendu, cette disposition représentée peut être inversée et tout autre moyen d'assemblage amovible convient.
Afin de réaliser des pièces de poids négligeables qui ne perturbent pas les sensations tactiles, selon un mode particulier de réalisation, généralisable à tous les types de liaisons, les parties (la), (2a), (10a), (lia),...etc.. sont réalisées avec un matériau de masse volumique faible -du sapin du nord, ou un alliage d'aluminium, par exemple. Selon un mode de réalisation avantageux, généralisable à tous les types de liaisons, lesdites parties sont en matière plastique injectée de faible épaisseur et rigidifiées par des nervures. Selon ce procédé d'obtention, une partie possédant un plan de contact est représenté à la figure 6. Chaque partie (la), (2a) précitée peut comporter, du coté opposé au plan de contact (3a) ou (3b), au moins un moyeu cylindrique (6) d'axe de révolution perpendiculaire audit plan et permettant un assemblage cylindrique rigide avec la poignée (4) ou (5), des nervures de renforcement (7) perpendiculaires audit plan et disposées radialement au moyeu, et une jupe mince (8) perpendiculaire au plan précité et entourant ce dernier sur toute la périphérie, de façon à réaliser un ensemble léger et rigide supportant les efforts exercés par les apprenants sur les poignées. Selon une variante non illustrée, chaque partie nervurée (la), (2a) pourra être habillée, sur la face opposée au contact, d'une plaque plane mince en matière plastique collée, clipsée ou soudée à ladite partie correspondante afin de renforcer encore la rigidité et de masquer au regard lesdites nervures. Selon ce même procédé d'obtention, pour les liaisons comportant un cylindre de contact entre les deux parties, la deuxième partie (lia), (11b), (lie), (lld), selon une disposition constructive non représentée, peut comporter au moins deux nervures constituées de couronnes minces concentriques au cylindre de contact et disposées sur la surface cylindrique externe de ladite partie, aux extrémités opposées, et dans des plans perpendiculaires à l'axe de révolution dudit cylindre. Pour les mêmes raisons que précédemment, elle pourront être masquées par au moins un manchon cylindrique centré et collé sur leur périphérie, ledit manchon étant concentrique à l'alésage de contact (12).
Selon une autre caractéristique de l'invention, non représentée, pour montrer expérimentalement de façon simple que l'expression des torseurs est parfois modifiée lorsque l'on change le point de réduction, de prévoir une deuxième poignée (5), ou (4) décalée parallèlement à la première poignée sur un axe de symétrie (27) par exemple, à ladite première poignée étant implantée selon la normale au centre géométrique Oi ou O2 du plan de contact (3a) ou (3b). L'apprenant a donc la possibilité de saisir l'une puis l'autre, pour percevoir la différence de façon tactile.
Selon une autre caractéristique de l'invention, proche de la précédente, la poignée possède une forme illustrée à la figure 7 -obtenue par moulage ou par tournage- qui permet une préhension selon deux positions, afin de pouvoir inverser le rôle moteur et récepteur des apprenants, ou privilégier la perception de la résultante R ou du moment M du torseur. A cette fin, la forme sphérique (5b) permet une saisie en position réceptrice et elle est prolongée, côté liaison, par une forme cylindrique coaxiale (5a) dont la longueur et le diamètre permettent une préhension dans une position plutôt réservée à la fonction motrice, ladite forme cylindrique se terminant par une collerette coaxiale (32), munie de congés, servant de butée pour la main et évitant tout risque de contact de cette dernière avec la partie voisine mobile. Selon une disposition constructive liée à cette caractéristique, lesdites poignées sont directement reliées aux parties (la), (2a) ou (10a) de la partie de liaison par une courte tige cylindrique (18) -en acier ou en alliage d'aluminium- collée sur chacune des pièces à lier. Selon certaines dispositions constructives non représentées, la surface de jonction avec la partie de la liaison pourra être constituée par un plan extrémité appartenant à l'embase (5a), perpendiculaire à l'axe longitudinal de la poignée, directement collé sur la surface de la partie de la liaison, du coté opposé au contact; ou par une foπne cylindrique épaulée coaxiale à (5a) et s'ajustant -avec un collage éventuel- dans un alésage de ladite partie de la liaison.
La figure 8 illustre une réalisation possible de la liaison pivot, qui possède en plus des deux parties de révolution (10b), (lia) et des poignées (13) et (14) déjà décrites dans la liaison pivot glissant, des moyens réalisant des arrêts axiaux constitués, par exemple, par deux rondelles (42) et (43) centrées sur le cylindre (10b) et prenant appui sur les faces extrémités de part et d'autre de la partie (lia) et deux goupilles épingles (44) traversant de part en part ledit cylindre. Selon une disposition constructive déjà décrite, et non représentée, disposition permettant le montage radial de (10b) sur (lia), les moyens réalisant les arrêts axiaux pourront être réalisés par des bagues rapportées et collées sur ledit cylindre (10b) en lieu et place des rondelles (42) et (43).
La figure 9 illustre une réalisation possible de la liaison sphére-cylindre qui possède, d'une part une partie (11b) dont les formes essentielles ont déjà été décrites pour la partie réceptrice (1 la) de la liaison pivot-glissant et d'autre part, une sphère (2c) réalisant la partie motrice engagée de façon coulissante dans l'alésage cylindrique (12) et liée directement à la poignée (5). Selon une disposition constructive particulière, il est possible de transformer cette liaison en liaison sphérique en montant axialement, par les deux extrémités opposées, deux tampons cylindriques (45) liés à ladite partie (1 lb). Cette disposition sera décrite plus loin, en détail, dans le paragraphe relatif à la liaison sphérique avec frottement.
La figure 10 illustre une réalisation possible de la liaison glissière. Elle comporte d'une part, une partie (lie) -dont la partie extérieure a déjà été décrite dans la liaison pivot-glissant- possédant un alésage prismatique interne (51) et d'autre part, une partie (10c) de forme latérale prismatique (52) coulissant dans ledit alésage prismatique et liée aux poignées motrices (13) et (14) déjà décrites précédemment. La partie (lie) possède une ouverture latérale (53) permettant le passage de la partie (13a) de la poignée (13) et autorisant la translation axiale de ladite poignée.
La figure 11 illustre une réalisation possible de la liaison hélicoïdale. Elle possède d'une part, une partie (Hd) -dont les formes essentielles ont déjà été décrites dans la liaison pivot-glissant- et d'autre part, une partie cylindrique (lOd) montée dans l'alésage cylindrique (12) et liée à la poignée axiale (14). Le cylindre (lOd) possède sur sa surface un téton cylindrique (54), disposé radialement sensiblement au milieu de sa longueur, qui vient s'engager de façon coulissante dans une rainure hélicoïdale (55) réalisée dans ladite partie (lld). On peut prévoir deux versions de la partie (lld) avec des inclinaisons différentes de la rainure afin que la liaison hélicoïdale soit réversible ou irréversible. Selon une variante de réalisation non représentée, le téton (54) peut être prolongé vers l'extérieur de la rainure (55) afin de permettre la fixation, à son extrémité opposée à la partie (1 Od), d'une poignée motrice radiale. Un exemple de réalisation de la liaison sphérique est montré à la figure 12,
Selon cet exemple, cette liaison comporte, d'une part, une partie (2c) réalisée par une sphère liée à la poignée (5), et d'autre part, une partie (56) constituée par une calotte sphérique creuse, réalisée en bois, en alliage d'aluminium, ou en matière plastique injectée. Ladite calotte comporte un alésage sphérique (57) concentrique, en coïncidence avec la sphère constituant la partie (2c) et une ouverture tronconique (58) permettant le passage et l'oscillation de la poignée (5), Selon un mode de réalisation avantageux, la partie (56) est constituée de deux demi calottes sphériques collées -ou soudées- selon un plan diamétral (59) afin de permettre, avant assemblage desdites demi calottes, le montage de la partie (2c) dans l'alésage (57). Selon une variante de fabrication, représentée figure 13, la partie (56) est réalisée en une seule pièce et comporte une ouverture tronc conique (60) enlevant au moins une demi sphère de (57), ladite ouverture permettant un montage radial de la partie (2c) dans l'alésage sphérique (57).
Selon une disposition différente, non représentée, dans le but de transformer la liaison sphérique déjà décrite en liaison sphérique à doigt, l'ouverture (58) a la forme d'une rainure disposée dans le plan diamétral de l'alésage sphérique, sur un demi-cercle environ, et laisse passer de façon coulissante la forme cylindrique (5a) reliant la surface de saisie (5b) à la partie correspondante de la liaison.
Un but de l'invention consiste à mettre en évidence les actions mécaniques transmissibles par les liaisons sans frottements. Dans ce but, on pourra soit choisir des matériaux adéquats pour constituer les parties de la liaison, soit revêtir les plans de contact (3a), (3b), la sphère (2c), et les cylindres (10a), (12), d'une couche mince d'un matériau ayant un facteur de frottement faible -du tétrafluoréthyléne, par exemple- procédé non illustré dans ce qui suit. On peut également intercaler, entre la partie motrice et la partie réceptrice, une troisième partie constituée d'un élément standard comportant des éléments roulants -un roulement à billes, une douille à aiguilles,...etc. A cette fin, selon une disposition non limitative réalisant une liaison rotule illustrée à la figure 14, un composant de l'élément standard (67) -la bague intérieure d'un roulement à rotule, par exemple- est liée à la partie motrice (63a), et un autre composant dudit élément -la bague extérieure dudit roulement, par exemple- est liée à la partie réceptrice (62a) de la liaison sur laquelle est directement implantée la poignée réceptrice (62c), (62d). Cette poignée réceptrice permet deux positions de saisie et comporte, à cet effet, une forme sphérique (62c) de préhension dont le centre géométrique O7 est confondu avec celui du roulement afin que l'expression du torseur transmissible par le roulement ne soit pas modifié, et un cylindre coaxial (62d) -du coté opposé à la poignée motrice- permettant une saisie déportée rendant possible l'observation des degrés de liberté du roulement à travers la matière plastique transparente constituant ladite poignée. Cette foπne particulière de poignée est recommandée pour les éléments standards comportant des éléments roulants participant à la réalisation d'une liaison sphérique, sphère- cylindre, pivot, pivot-glissant, ou glissière. L'exemple de la figure 14 montre un montage de roulement entre les deux parties (63a) et (62a) réalisant une liaison sphérique entre ces dernières. Selon cette disposition constructive, la bague intérieure du roulement est montée serrée et/ou collée sur un bout d'arbre épaulé (69) réalisé sur ladite partie motrice (63a), cette dernière comportant aussi, à l'extrémité opposée, un alésage (64) coaxial permettant l'assemblage collé avec l'extrémité de la poignée (61a). D'autre part, toujours selon cette même disposition, la bague extérieure du roulement est montée glissante dans l'alésage (66) réalisé dans la partie réceptrice (62a), ladite bague étant arrêtée en translation ar l'entretoise (50) prenant appui axialement sur le fond de l'alésage (66) et par l'anneau élastique pour alésage (71). Ladite partie (62a) comporte aussi un alésage de plus petit diamètre (68) permettant l'assemblage collé de l'axe intercalaire (49a) qui réalise ici une butée angulaire venant en contact avec l'évidement (65) lors du rotulage du roulement. Selon d'autres dispositions constructives dont l'une est illustrée figure 15, ce même axe intercalaire (49a) joue le rôle de deuxième partie pour le montage d'éléments standards différents dudit roulement (67). On peut aussi réaliser une liaison équivalente sphère-cylindre en associant en série une liaison rotule et une liaison pivot-glissant. Dans ce but, dans le montage décrit précédemment, on peut supprimer l'entretoise (50) et de l'anneau élastique (71) et rendre le roulement (67) coulissant dans l'alésage (66). On transforme ainsi la liaison sphérique en liaison sphère-cylindre en utilisant le même élément standard (67).
La réalisation d'une liaison par l'intermédiaire d'un élément standard comportant des éléments roulants n'est pas limité à l'exemple précédent, on peut aussi utiliser des éléments standards tels que des roulements rigides à billes, à rouleaux cylindriques ou coniques, à aiguilles; des douilles à billes; des butées axiales à billes ou à aiguilles,... etc..Dans un même esprit, selon une disposition non représentée, lesdits éléments standards peuvent être associés en série en montant un premier élément standard sur la partie motrice de la liaison et un deuxième élément monté entre ledit premier élément et la partie réceptrice de la liaison. On peut aussi les disposer en parallèle en montant, par exemple, deux roulements sur la partie motrice de la liaison de façon coaxiale et en les centrant sur la partie réceptrice. Selon une variante de réalisation, les poignées peuvent être assemblées avec lesdites partie motrice (63a) et réceptrice (49a), par des moyens permettant un démontage desdites poignées afin de permettre le montage d'éléments standards différents. Un exemple de ces moyens permettant un démontage est décrit plus loin dans le texte et illustré à la figure 15.
Un autre but de l'invention consiste à mettre en évidence les actions mécaniques transmissibles par les liaisons avec frottements. Selon une disposition constructive non représentée, pour la liaison appui-plan l'un au moins des plans de contact (3a) ou (3b) est revêtu d'un matériau à facteur de frottement élevé et/ou comporte des surfaces rugueuses ou granuleuses. Selon une disposition constructive avantageuse, on peut aussi intercaler entre les deux parties de la liaison au moins une troisième partie réalisée, par exemple, par une plaque constituée d'un matériau à facteur de frottement élevé -un élastomère, par exemple- et collée sur l'une desdites parties. Selon une variante constructive, représentée figure 16, la troisième partie réalisée par une plaque (77) est liée à l'une des parties par des moyens d'assemblage constitués par au moins deux pions élastiques (78), par exemple, venant se clipser dans des alésages (79) réalisés dans les parties (lb) et/ou (2b). Pour ces liaisons avec frottement, la première main tenant la poignée (5) ressent la résultante des forces normales au plan de contact et la deuxième main de l'apprenant tenant la poignée tangentielle (6) ressent la résultante des forces tangentielles audit plan de contact.
Selon l'invention, pour les liaisons avec frottement mettant en oeuvre des surfaces de contact cylindriques entre les deux parties, on peut intercaler entre les deux parties, au moins une troisième partie constituée d'un matériau à facteur de frottement élevé liée à l'une desdites parties et appliquée par un effet élastique contre la surface de contact appartenant à l'autre partie. Un exemple de réalisation, concernant la liaison pivot-glissant, est donné à la figure 17. Selon cet exemple, la partie cylindrique (lOf) possède au moins une gorge (81), recevant la troisième partie -et éventuellement une autre gorge recevant une quatrième partie- constituée d'une bague élastique à facteur de frottement élevé. Ladite partie peut être composée, du côté intérieur, d'une bague élastique cylindrique fendue (83). en acier trempé par exemple et, du coté extérieur, d'une bague (82) en élastomère -ou une bande souple du même matériau - collée sur ladite bague. Le montage de cette bague dans la gorge (81) se fait en deux temps. Dans un premier temps, elle est ouverte pour glisser sur le diamètre extérieur du cylindre (lOf), et dans un deuxième temps, par élasticité, elle se referme dans la gorge. Une fois la bague refermée avec jeu dans la gorge, un obstacle lié au dit cylindre (lOf) -constitué par la goupille (84), par exemple- supprime la rotation autour de l'axe de révolution de ladite bague, en venant s'engager dans la fente de cette dernière. Lorsque le cylindre (lOf) est monté axialement dans l'alésage (12) de la partie (lia), ladite bague fendue (82), (83) -d'un diamètre détendu légèrement supérieur- se referme, la partie élastomère vient se plaquer contre ledit alésage et provoque un frottement important qui freine le mouvement de rotation et/ou de translation de (lOf) par rapport à (lia). Dans le but de mettre en évidence les phénomènes d'arc-boutement dans un guidage, ladite partie (lOf) peut comporter plusieurs variantes de longueurs différentes et plusieurs gorges permettant de monter plusieurs bagues afin d'augmenter les frottements.
Selon l'invention, pour réaliser la liaison sphérique avec frottement, on peut intercaler au moins une troisième partie coulissante comportant une calotte sphérique concave constituée d'un matériau à facteur de frottement élevé et/ou élastique, ladite partie étant serrée contre la sphère par un élément élastique et empêchée en rotation par des moyens. Un exemple de réalisation particulière est représenté figure 9. Selon cet exemple, la sphère (2c) est montée dans l'alésaεe (12) de la partie (11b) et elle est serrée entre une troisième et quatrième partie -deux tampons cylindriques (45) possédant chacun une calotte sphérique concave (46)- montées coulissantes dans l'alésage (12). L'un des tampons est en appui sur la goupille (49) liée à (11b) et l'autre est poussé contre la sphère par un ou plusieurs éléments élastiques (48) -des rondelles élastiques tronconiques "étoile", par exemple- montés dans un lamage (45b) réalisé dans ledit tampon du côté opposé à la calotte sphérique et intercalés entre l'extrémité dudit lamage et la goupille (49), ladite goupille étant engagée dans un trou diamétral (47) appartenant à la partie (11b). Lesdits tampons (45) sont mobiles en translation et empêchés dans leur mouvement de rotation autour de leur axe de révolution par rapport à ladite partie (11b) par des moyens de liaison en rotation constitués, par exemple, desdites goupilles (49) engagées de façon coulissante dans une fente diamétrale (45a) réalisée dans chacun desdits tampons du côté opposé à la calotte sphérique. Tout autre moyen permettant le déplacement axial des tampons et s'opposant à leur rotation convient.
Un autre but de l'invention consiste à mettre en évidence l'influence de la rigidité des matériaux en contact sur les degrés de liberté et les actions mécaniques transmissibles par un type de liaison donné. Dans ce but, on peut intercaler une troisième partie déformable entre la partie motrice et la partie réceptrice de la liaison. Selon une première disposition constructive non représentée, cette troisième partie peut être constituée d'une plaque -ou d'un cylindre- d'épaisseur importante composé d'un matériau élastique -un élastomère, par exemple- lié à l'une au moins des parties de la liaison. Selon une autre disposition constructive, on peut intercaler entre les deux parties de la liaison une troisième partie constituée par un élément standard élastique - un joint Paulstra (marque déposée) ou un accouplement élastique, par exemple- dont chacun des deux composants extrémités est lié à l'une des parties de la liaison. La figure 15 illustre un exemple de réalisation mettant en oeuvre un accouplement élastique (72). Selon cette disposition, l'alésage du composant extrémité dudit élément s'engage sur l'extrémité cylindrique (73 a) de la partie motrice (63b) de la liaison et l'assemblage est maintenu en position par l'action d'une vis de pression (70) bloquée à l'aide d'un outil passant dans rouverture (75) pratiquée dans la partie (62b). Selon cette même disposition constructive, l'alésage du composant situé à l'autre extrémité de l'accouplement élastique (72) est engagé sur l'extrémité cylindrique (73b) de la partie réceptrice (49b) de la liaison et solidarisée par une deuxième vis de pression (70), ladite partie réceptrice est directement engagée dans l'alésage (68) appartenant à la poignée (62b) et maintenue de façon démontable par la vis de pression (76a), par exemple, vissée dans la douille (76b) collée dans ladite poignée (62b). La partie motrice de la liaison (63b) possède, du côté opposé à l'élément standard, un alésage (64) permettant la liaison avec l'extrémité cylindrique de la poignée motrice (61b). Selon une version d'assemblage démontable de ladite poignée, l'extrémité de cette dernière est engagée dans ledit alésage (64) et mise en pression par l'extrémité d'une vis (74), vissée radialement dans la partie motrice (63b), venant prendre appui sur le fond d'une gorge, et bloquée manuellement par l'utilisateur à l'aide d'une tête moletée, par exemple. Selon une variante de réalisation, les poignées peuvent être assemblées sur les parties de la liaison de façon indémontable par un moyen d'assemblage -un collage, par exemple- identique à celui décrit précédemment et illustré à la figure 14. L'invention permet donc, à des fins pédagogiques, de visualiser les mouvements entre les deux parties d'une liaison mécanique et de transmettre de façon tactile, grâce à des poignées directement préhensibles par les mains des apprenants, les éléments de réduction du torseur associé aux actions mécaniques transmissibles par ladite liaison. Ces éléments de réduction sont matérialisés de façon sensorielle par des moyens disposés selon trois directions orthogonales qui évitent un support fixe. Le dispositif concerne les liaisons avec ou sans frottements, rigides ou élastiques, faisant intervenir des éléments standards ou non, il est simple à manipuler, sans opération de montage et de démontage sur un support, et n'entraîne pas de modification des actions mécaniques transmises par les liaisons dans les mains des apprenants.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, mais englobe toute variante reprenant, avec des moyens équivalents, les caractéristiques essentielles énoncées plus haut.

Claims

Revendications:
1) Maquette didactique de liaison(s) mécanique(s) usuelle(s), comprenant au moins deux parties en contact, dont une première partie est reliée directement à au moins une poignée motrice manuellement préhensible, caractérisée en ce qu'une deuxième partie (2a), (2b), (l ia), (11b), (lie), (lld), (56), (62a) ou (49b) est liée directement à au moins une poignée réceptrice (5), (14a), (14b), (56a), (62b), (62c), (62d) manuellement préhensible.
2) Maquette didactique de liaison(s) mécanique(s) usuelle(s) selon la revendication 1 caractérisée en ce que la forme de la poignée réceptrice et/ou motrice est choisie parmi l'une au moins des formes prismatique, conique, cylindrique (5a), (14b), (62d), ovoïde, ou sphérique (5b), (14a), (56a), (62c).
3) Maquette didactique de liaison(s) mécamque(s) usuelle(s) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la poignée réceptrice et/ou motrice comporte des moyens créant une perception tactile, disposés selon trois directions orthogonales concourantes avec le centre géométrique de la sphère.
4) Maquette didactique de liaison(s) mécanique(s) usuelle(s) selon la revendication 3 caractérisée en ce que deux directions orthogonales sont parallèles aux axes de symétrie (27), (28) d'un plan de contact de ladite partie et que la troisième direction est normale audit plan. 5) Maquette didactique de liaison(s) mécamque(s) usuelle(s) selon la revendication 3 caractérisée en ce que l'une des directions orthogonales est parallèle à l'axe de révolution d'une surface de contact cylindrique, et une autre est concourante audit axe. 6) Maquette didactique de liaison(s) mécanique(s) usuelle(s) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la sphère (5b), (14a), (56a), ou (62c) de la poignée réceptrice et/ou motrice comporte sur sa surface trois ou cinq aspérités (21a), (21b), (22a), (22b), (23), constituées de calottes ovoïdes de petits diamètres, et en ce que les deux ou quatre premières aspérités (21a), (21b), (22a), (22b), sont disposées radialement par paires de façon opposée, sur deux diamètres perpendiculaires (24) et (25), lesdits diamètres étant parallèles aux axes de symétries (27) et (28) d'un plan de contact (3a), (3b), ou sur un diamètre (29) perpendiculaire à l'axe de révolution d'un cylindre de contact (10a) de ladite partie , et en ce que l'aspérité (23) est sur le diamètre (26) ou (30) perpendiculaire respectivement audit plan de contact ou à l'axe de révolution (9) dudit cylindre de contact. 7) Maquette didactique de liaison(s) mécanique(s) usuelle(s) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le centre géométrique O6 de la forme sphérique (5b) est sur la normale à un plan de contact (3b) ou (3a) de la liaison, élevée au centre géométrique de ce dernier. 8) Maquette didactique de liaison(s) mécanique(s) usuelle(s), selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le centre géométrique O4 de la forme sphérique (14a) est confondu avec le centre géométrique O5 de l'alésage cylindrique (12) ou du prisme (51) appartenant à la partie correspondante.
9) Maquette didactique de liaison(s) mécanique(s) usuelle(s) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'une partie est liée à deux poignées (13) et (14), et en ce qu'une poignée (13 ) est disposée radialement à la surface cylindrique de contact, et en ce que l'autre poignée (14) est disposée axialement à ladite surface.
10) Maquette didactique de liaison(s) mécanique(s) usuelle(s) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'une partie est liée à deux poignées (4) ou (5), et en ce que la deuxième poignée (4) ou (5) est parallèle à la première et décalée sur un axe de symétrie (27) ou (28).
11) Maquette didactique de liaison(s) mécanique(s) usuelle(s) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'une partie est liée à deux poignées (5) et (6), et en ce que l'axe longitudinal de l'une (5) est disposé pe endiculairement à un plan de contact (3a), (3b) et l'axe de l'autre (6) est disposé selon une direction tangentielle audit plan et parallèle à un axe de symétrie (27) ou (28).
12) Maquette didactique de liaison(s) mécanique(s) usuelle(s) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour matérialiser trois vecteurs unitaires (33), (34), (35) d'une base orthonormée, et en ce que lesdits moyens sont liés de façon amovible à l'une au moins des parties.
13) Maquette didactique de liaison(s) mécanique(s) usuelle(s) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'une plaque (77) au moins, constituée d'un matériau à facteur de frottement élevé et/ou une surface rugueuse, est intercalée entre les deux parties (lb) et (2b), (la) et (2a), et liée à l'une d'elles. 14) Maquette didactique de liaison(s) mécamque(s) usuelle(s) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'au moins une bague élastique fendue (82), constituée d'un matériau à facteur de frottement élevé, est intercalée entre les deux parties (lOf) et (lia) dans au moins une gorge (81) et en ce qu'elle est arrêtée en rotation par une goupille (84) . 15) Maquette didactique de liaison(s) mécanique(s) usuelle(s) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'un ou deux tampons cylindriques (45), possédant chacun une calotte sphérique concave (46) constituée d'un matériau à facteur de frottement élevé, sont intercalés de façon coulissante entre la partie motrice (2c) et réceptrice (11b) dans l'alésage (12), et serrés contre (2c) par des éléments élastiques (48), et en ce que lesdits tampons possèdent des moyens de liaison en rotation par rapport à ladite partie (1 lb).
16) Maquette didactique de liaison(s) mécanique(s) usuelle(s) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'entre la partie réceptrice et motrice, est intercalé au moins un élément standard comportant des éléments roulants, et en ce que le centre O7 de la forme sphérique (62c) est confondu avec celui dudit élément standard.
17) Maquette didactique de liaison(s) mécanique(s) usuelle(s) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'entre la partie réceptrice et motrice, est intercalé un élément standard élastique et en ce que le centre O8 de la forme sphérique (62c) est confondu avec celui dudit élément standard.
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