Mini Projet - Joint d'Oldham

Membres : Mathias DARIU, Paul CAMUS

1. Contexte

Dans le cadre de l'UE UM4RBM20 nous devons réaliser un Mini-Projet à thématique libre,  utilisant au moins 2 des 4 méthodes de fabrication étudiées pendant les enseignements, à savoir, l'impression 3D, la découpe laser, la découpe jet d'eau et le fraisage.

Nous avons décidé de réaliser un joint d'Oldham combinant le fraisage pour fabriquer le joint en lui même, l'impression 3D pour la manivelle et la découpe laser pour les supports à des fins de démonstration.

2. Joint d'Oldham

Fonctionnement

Le joint d'Oldham est un mécanisme de couplage, son but et de relier 2 arbres rotatifs. En d'autres termes, on transfert la rotation d'un arbre vers un autre. La particularité du joint d'Oldham est qu'il permet un accouplement entre deux arbres non coaxiaux.

(Images et animation récupérés sur le site suivant : https://turgotlimoges.scenari-community.org/STI2D/Ressources%20STI2D/TP_WORKS%C2%A0/res/06_transm_transfo_mvt.eWeb/export/visu156.html)

On peut remarquer sur l'animation de droite que nos 2 arbres ne sont pas coaxiaux et que le joint d'Oldham avec son mécanisme reliant 2 liaisons glissières, permet de transférer la rotation du premier arbres vers le second tant que la distance entre les axes est petite. Ce système de couplage est notamment utilisé dans les cadres industriels.

Conception

Nous avons tout d'abord commencé par concevoir un modèle 3D de la pièce mécanique afin de s'assurer de son bon fonctionnement avec le design que l'on avait en tête. L'assemblage se composera des 2 pièces et du support présentés ci-dessous.

Toutes ces pièces sont retrouvables en PJ de cette documentation. Grâce à l'assemblage de la figure en bas à droite, nous avons pu simuler la mise en mouvement du mécanisme en intégrant les propriétés mécaniques du bois. L'analyse ayant été excellente, nous avons décidé de confirmer notre projet.

L'un des avantages de la fraiseuse pour réaliser ce joint est qu'il n'était pas nécessaire de réaliser un modèle 3D entier de la pièce mais uniquement les motifs à creuser dans le bois et connaître les profondeurs de creusage. Ainsi, les fichiers DXF oldham_centre.DXF, oldham_extremite.DXF trouvables en PJ de cette page sont relativement rudimentaires. En effet, la première pièce permet à la fois de faire les 2 plateaux et la noix et la seconde permet de faire les parties à supporter par les supports.

Nous avons utilisé du contre-plaqué 30mm et les mesures de creusages suivantes :

Pièce	Plateau Droite	Plateau Gauche	Noix (partie 1)	Noix (partie 2)	Extrémité Droite	Extrémité Gauche	Repose support
Profondeur languette (en mm)	15	15	-15	-15	-15	-15	2

Ici, une profondeur négative signifie juste que nous avons creusé autour de la forme (languette ou pilier) pour la faire ressortir par rapport au reste. Nous précisons que pour le repose support, le trou au centre nous permet de coller la pièce de manière plus fiable.

Les photos de gauche ci-dessus montrent les plateaux vissés aux pièces de repose support. Sur la 3ème photo il s'agit de la pièce qui permettra d'enfoncer la poignée pour faire tourner le tout (il sera à terme collé à l'emplacement dédié). Enfin, sur la photo de droite, nous pouvons voir les 2 parties de la noix vissées de sorte à ce que les languettes soient perpendiculaires entre elles.

Cette dernière précision est primordiale pour assurer la bonne transmission, nous avons donc été très vigilent quant à la position des languettes lors du vissage !

Malgré la simulation, nous avions des doutes quant aux problèmes de frictions que le matériau pourrait apporter à un tel mécanisme. Nous avons donc pris soin de poncer scrupuleusement les pièces et de frotter les pièces entre elles pour habituer le bois à ce mouvement et poncer encore un peu les parties importantes.

3. Les Supports

Nous avons fait le choix de les concevoir par découpe laser car il s'agit du moyen le plus rapide et fiable. Les fichiers DXF des 2 parties du support sont disponibles dans les PJ de la page, ainsi que les pièces de l'assemblage SolidWorks présentées ci-dessous.

Nous avons utilisé du MDF 6mm qui est plus rigide et compacte, qualités dont nous avions besoin pour assurer que le support de 'tangue' pas trop. Enfin, nous avons fait attention à bien prendre en compte le diamètre du laser en prenant une marge de 0.1mm dans les trous de jointures des 2 pièces afin de réduire au maximum le jeu entre les 2 pièces.

3. La Manivelle

La manivelle à été conçue par CAO sur SolidWorks, puis imprimée en 3D. Le modèle de la manivelle est disponible aussi disponible dans les PJs de la page. La pièce a été imprimée de façon à ne pas utiliser de support (la partie plate sur le plateau de l'imprimante) et nous avons pris soin d'ajouter un léger offset de 0.2mm pour le trou qui connecte la manivelle à l'arbre pour assurer la liaison.

4. Montage Complet

Le mécanisme fonctionne correctement pour des écarts d'axe de rotation de l'ordre du centimètre.

5. Améliorations

5.1 Les supports

Problème

Nous voulions pouvoir agir sur la distance entre les 2 axes de rotation du mécanisme de manière simple, c'est pourquoi nous avons opté sur des supports détachés plutôt que des supports reliés comme nous l'avions imaginé lors de la conception du modèle 3D présenté plus haut. Néanmoins, cela apporte son lot de problème.

Premièrement, la stabilité, en effet, comme les supports ne sont fixés à rien, lorsqu'on utilise le mécanisme tout bouge et cela perturbe son bon fonctionnement en décalant par exemple le parallélisme nécessaire des plateaux. 

Deuxièmement, le moment fléchissant et le jeu avec la socle de la partie verticale. En effet, le MDF 6mm est la plus grosse épaisseur que nous avions eu à disposition mais le fait est que lorsqu'on met en mouvement le mécanisme, il se tord et se balance légèrement ce qui gène beaucoup la transmission de la rotation. 

Solutions

1) Pièce unique 

Faire le compromis d'une distance entre les 2 axes de rotation fixe contre un gain énorme en stabilité en utilisant un socle commun pour les 2 supports. 

2) Impression 3D + Pièce unique

C'était l'idée d'origine afin de pouvoir choisir l'épaisseur des supports et ainsi contrôler le moment fléchissant de la partie verticale, mais comme expliqué plus bas, les problèmes logistiques des imprimantes 3D font que cela aurait été très contraignant pour nous surtout que les supports sont gros nécessitant donc un temps d'impression important. 

3) Socle multi-positions par fraisage

La dernière solution qui permettrait de garder la possibilité de changer l'écart entre les axes de rotation ET de réduire le moment fléchissant de la partie verticale serait de faire un gros socle avec plusieurs fentes pour pouvoir emboîter à différents endroits la partie verticale, elle aussi faite par fraisage pour gagner en épaisseur.

5.2 L'axe pour la manivelle

Problème

Le carré de bois d'entraînement du mécanisme auquel nous sommes censés insérer la manivelle (voir image) s'est révélé être assez fragile après les tests de résistance d'un de nos camarades. En effet, nous avons utilisés du contre-plaqué mais les efforts appliqués sur cet axe sont parallèles à la superposition des couches de bois. Ainsi, si l'utilisateur force trop sur la manivelle, l'axe se désolidarise de la structure. 

Solution

La seule solution que nous pouvons envisager serait d'utiliser un autre type de matériau comme le métal. En effet, la pièce étant découpée par fraisage, il n'est pas possible de trouver un angle de découpe qui permettrait d'avoir les couches de bois perpendiculaires aux efforts.

5.3 Impression 3D

Problèmes

A l'origine, nous devions réaliser les supports en impression 3D pour justement éviter le premier problème évoqué dans cette section mais la popularité et les délais d'attente de ces dernières étant tels, nous aurions eu du mal à respecter les délais de rendu de projet.

Solutions

Nous avons donc opter pour la découpeuse laser quitte à devoir faire des compromis sur la stabilité de notre structure.

5.4 Taille de la manivelle

Problèmes

La manivelle est légèrement disproportionée et nous sommes donc contraints de la tourner au bord d'une table sinon elle taperait contre cette dernière.

Solutions

La solution est assez évidente, il faudrait réduire les dimensions de la manivelle.