2.3 · Mouvement & contraintes mécaniques (came, engrenage, vis sans fin)

Niveau 2 · Intermédiaire : assemblages & mises en plan

2.3Mouvement & contraintes mécaniques (came, engrenage, vis sans fin)

Objectif : simuler un mécanisme avec les contraintes mécaniques et vérifier la cinématique.
Temps estimé : 11 min

Un assemblage bien contraint (section 2-1) laisse ses composants mobiles libres de leur mouvement réel. On peut alors les manipuler pour vérifier le fonctionnement : attraper une pièce et la déplacer à la souris, en respectant les contraintes — c'est le déplacement de composants, la vérification cinématique la plus immédiate. SolidWorks détecte au passage les collisions (option « détection de collision » : les pièces s'arrêtent quand elles se percutent) et permet de vérifier le jeu (clearance). Mais les contraintes standard (coïncidence, concentrique…) ne suffisent pas à reproduire certaines liaisons mécaniques où le mouvement d'une pièce commande celui d'une autre selon une loi précise. C'est le rôle des contraintes mécaniques — une famille de contraintes avancées dédiées aux mécanismes réels.

Les principales contraintes mécaniques : la came (cam) — un suiveur reste en contact avec le profil d'une came et se déplace selon ce profil quand la came tourne (soupapes, mécanismes à profil). L'engrenage (gear) — deux pièces tournent de façon couplée selon un rapport de transmission (deux roues dentées : quand l'une fait un tour, l'autre en fait un nombre défini par le rapport ; noter que cette contrainte reproduit le RAPPORT de rotation, elle ne modélise pas le contact réel des dents). La vis (screw) — couple une rotation à une translation (une vis qui avance quand elle tourne, un système vis-écrou). La crémaillère-pignon (rack and pinion) — couple la rotation d'un pignon à la translation d'une crémaillère (direction automobile). La charnière (hinge) — combine concentrique + coïncidence pour ne laisser qu'une rotation (une articulation). L'intérêt est double : vérifier la cinématique (le mécanisme fait-il le bon mouvement, sans collision, avec les bonnes courses ?) et préparer les études de mouvement (Motion Study, niveau 4) qui ajouteront moteurs, ressorts et analyse dynamique. Retenez la logique : les contraintes standard positionnent et laissent des libertés ; les contraintes mécaniques couplent des mouvements selon des lois physiques. Ensemble, elles font de votre assemblage un mécanisme virtuel fonctionnel — que vous pouvez actionner et vérifier avant qu'aucune pièce ne soit fabriquée, ce qui est l'un des apports les plus précieux de la CAO : détecter un défaut de cinématique ou une collision à l'écran plutôt que sur le prototype coûte cent fois moins cher.

Vocabulaire de la section

Déplacement de composants
Manipulation à la souris des pièces mobiles d'un assemblage, dans le respect des contraintes ; vérification cinématique immédiate, avec détection de collision optionnelle.
Contrainte de came
Contrainte mécanique maintenant un suiveur en contact avec le profil d'une came ; le suiveur se déplace selon ce profil quand la came tourne.
Contrainte d'engrenage
Couplage de rotation entre deux pièces selon un rapport de transmission ; reproduit le rapport (pas le contact réel des dents).
Contrainte de vis / crémaillère
Vis : couple une rotation à une translation (système vis-écrou). Crémaillère-pignon : couple la rotation d'un pignon à la translation d'une crémaillère.
Détection de collision
Fonction arrêtant les composants quand ils se percutent au cours d'un déplacement ; révèle les interférences dynamiques du mécanisme.
Vérifiez votre compréhension

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Tutoriel 2.3
Tutos « 2.3 » SolidWorks mouvement contrainte mécanique came engrenage vis (recherche)
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En pratique — Simuler un mécanisme avec les contraintes mécaniques

  1. Sur un assemblage à pièces mobiles, activez la détection de collision et déplacez un composant à la souris : les pièces s'arrêtent au contact.
  2. Créez une contrainte d'engrenage entre deux roues (définissez le rapport) et faites tourner l'une : l'autre suit.
  3. Ajoutez une contrainte de vis (rotation ↔ translation) sur un système vis-écrou et vérifiez l'avance.
  4. Vérifiez la cinématique complète : parcourez tout le cycle de mouvement en cherchant collisions et jeux insuffisants.
Vous reproduisez des liaisons mécaniques réelles (came, engrenage, vis, crémaillère) et vérifiez la cinématique et les collisions de votre mécanisme virtuel.

Points clés à retenir

  • Un assemblage bien contraint se MANIPULE (déplacement de composants à la souris) pour vérifier le mouvement, avec détection de collision.
  • Les contraintes standard positionnent ; les contraintes MÉCANIQUES couplent des mouvements selon des lois : came, engrenage (rapport), vis (rotation↔translation), crémaillère-pignon.
  • L'engrenage reproduit le RAPPORT de rotation, pas le contact réel des dents — utile à savoir pour interpréter la simulation.
  • Double intérêt : vérifier la cinématique (bon mouvement, pas de collision, bonnes courses) et préparer les études de mouvement (Motion Study, niveau 4).

Questions fréquentes

Contrainte d'engrenage : pourquoi mes roues tournent-elles alors que les dents ne se touchent pas vraiment ?

Parce que la contrainte d'engrenage de SolidWorks modélise le résultat cinématique (le rapport de rotation entre les deux pièces) et non le contact physique dent contre dent — et comprendre cette distinction évite bien des malentendus. Quand vous posez une contrainte d'engrenage entre deux roues avec un rapport (par exemple 2:1), vous dites à SolidWorks : « quand la roue A tourne d'un angle, la roue B tourne du double (ou de la moitié) dans le sens défini ». Le logiciel applique cette loi mathématiquement : il fait tourner B en proportion de A, point. Il ne calcule PAS l'engrènement réel des dents, ne vérifie PAS que les profils se touchent correctement, ne détecte PAS d'interférence entre dentures. Conséquences pratiques importantes. (1) La contrainte fonctionne même si les roues sont mal positionnées ou si les dents ne s'engrènent pas visuellement — d'où votre surprise. C'est à VOUS de placer correctement les roues (entraxe correct, dents en prise) par les autres contraintes (concentriques sur leurs axes, position relative). La contrainte d'engrenage gère le couplage de rotation, pas le placement. (2) Le rapport que vous saisissez doit correspondre à la réalité de vos roues : soit vous le calculez (rapport = nombre de dents de A / nombre de dents de B, ou rapport des diamètres primitifs), soit vous laissez SolidWorks le déduire de références géométriques (deux arêtes/faces dont il mesure le rapport). Un rapport incohérent avec la denture réelle donnerait un mouvement juste « sur le papier » mais faux mécaniquement. (3) Le sens : selon la configuration (engrenage extérieur ou intérieur), les roues tournent en sens opposé ou identique — une option de la contrainte permet d'inverser si le sens obtenu est erroné. Pourquoi ce choix de conception par SolidWorks ? Parce que simuler le contact réel de milliers de dents à chaque instant serait extrêmement coûteux en calcul et inutile pour la plupart des besoins : ce qu'on veut vérifier en conception, c'est le rapport de transmission, les vitesses, les courses, l'absence de collision entre les CORPS (pas entre les dents, dont l'engrènement est garanti par la géométrie normalisée si l'entraxe est correct). Pour une vraie analyse du contact des dentures (contraintes de contact, usure), on passerait à des outils de simulation spécialisés. En résumé : la contrainte d'engrenage est un outil cinématique efficace et léger ; positionnez correctement vos roues par ailleurs, saisissez le bon rapport et le bon sens, et elle reproduira fidèlement le comportement de transmission de votre mécanisme.

À quoi sert vraiment de simuler le mouvement avant de fabriquer ?

La simulation cinématique en CAO est l'un des retours sur investissement les plus spectaculaires du travail en 3D, précisément parce qu'elle déplace la détection des problèmes du monde physique (coûteux) vers le monde virtuel (gratuit). Détaillons ce qu'elle vous permet de vérifier AVANT de dépenser un centime en fabrication. (1) Les collisions et interférences en mouvement. Une pièce peut sembler bien conçue en position statique, mais entrer en collision avec une autre AU COURS de son cycle de mouvement : le bras qui vient heurter le carter à mi-course, la biellette qui touche le bâti en fin de rotation, deux pièces mobiles qui se percutent à un instant précis. Ces « interférences dynamiques » sont invisibles sur un modèle figé et catastrophiques sur un prototype (au mieux, le mécanisme se bloque ; au pire, il casse). La détection de collision, en parcourant tout le cycle, les révèle à l'écran. (2) Les courses et amplitudes. Le vérin va-t-il assez loin ? Le mécanisme atteint-il bien les positions extrêmes voulues ? La porte s'ouvre-t-elle complètement sans buter ? Simuler le mouvement vérifie que les courses réelles correspondent au besoin — un défaut de course découvert sur prototype impose de refaire des pièces. (3) Les jeux et dégagements : y a-t-il assez d'espace pour le passage d'une main lors du montage, pour la dilatation, pour un câble ? La vérification de jeu (clearance) mesure les distances minimales au cours du mouvement. (4) La cohérence cinématique : le mécanisme fait-il le mouvement attendu ? Les rapports de transmission donnent-ils les bonnes vitesses ? Un système complexe (came + engrenages + biellettes) se comporte-t-il comme prévu ? Mieux vaut le découvrir en le « faisant tourner » à l'écran. (5) La communication : une simulation animée vaut mille explications pour valider un concept avec un client, un collègue, un décideur — chacun VOIT le mécanisme fonctionner. Le calcul économique est imparable : détecter et corriger un défaut sur le modèle 3D coûte quelques minutes de modélisation ; le même défaut découvert sur un prototype usiné coûte le prix des pièces refaites, le délai, et parfois la répétition de plusieurs itérations (le fameux « on refait, on re-teste, ça ne marche toujours pas »). Sur un produit de série, un défaut non détecté peut même se propager à des milliers d'exemplaires. C'est pourquoi la vérification cinématique virtuelle — de la simple manipulation à la souris jusqu'aux études de mouvement dynamiques (niveau 4) — n'est pas un luxe mais une étape normale de conception : on valide le fonctionnement AVANT de matérialiser. Le prototype physique, quand il reste nécessaire, confirme alors un mécanisme déjà vérifié, au lieu de servir à découvrir des erreurs qu'on aurait pu voir à l'écran.

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