LE GRILLE PAIN LE GRILLE PAIN - ENSGSI-Promo-2013

Conception Mécanique CI2-CI3
ZOZ Barthélémy
TRUCHOT Patrick
2007-2008
LE GRILLE PAIN
DE BOISSIEU Benjamin
MANY Sophie
GAUTIER Laura
1AI

SOMMAIRE
INTRODUC TION…………………………………………………………………………… 2
1) HISTORIQUE DU GRILLE-PAIN……………………………………………… 3-4
2) GENERALITES SUR LE GRILLE-PAIN……………………………………....
a- Mécanisme de fonctionnement
b- Consommation d’énergie
c- Le marché du grille-pain
d- Représentation systémique
3) ETUDE TECHNIQUE……………………………………………………………...
a- Propriété intellectuelle
b- Propriétés techniques
4) ETUDE EXPERIMENTALE……………………………………………………….
a- Calcul de la constante de raideur du ressort et de la force
minimale à appliquer
b- Représentation du mécanisme d’éjection par un schéma
cinématique
c- Modélisation du système sous Solidworks
5) BIBLIOGRAPHIE……………………………………………………………………
CONCLUSION………………………………………………………………………………...
1
5-6
5
6
6
6
7-9
7
7-9
10-15
10-12
12-13
14-15
16
17

INTRODUCTION
Le grille-pain est un objet de la vie courante que la plupart des personnes possède chez elles
et dont elles se servent régulièrement. Nous avons tous été fascinés par l’éjection des tranches
durant notre enfance et pourtant nous n’avons jamais essayé de comprendre comment cela
fonctionne.
Ce produit est particulièrement intéressant car à partir des années 40/50 les foyers ont
commencé à s’équiper en électroménager, à commencer par la cafetière électrique, le four… mais
également le grille-pain qui généra un véritable engouement dès sa mise en marché.
Le grille-pain est un objet de la vie courante que la plupart des personnes possède chez elles
et dont elles se servent régulièrement. Nous avons tous été fascinés par l’éjection des tranches
durant notre enfance et pourtant nous n’avons jamais essayé de comprendre comment cela
fonctionne.
Deux publicités de 1944
Quel mécanisme se cache derrière ce système ? Comment la tartine remonte-t-elle
automatiquement avec le grillage souhaité ? …
Autant de questions qui nous ont permis d’aborder le fonctionnement du grille-pain et en
particulier le système d’éjection et la fermeture des grilles de serrage.
2

1) HISTORIQUE DU GRILLE PAIN
Chez les Romains, toaster le pain permettait de prolonger sa durée de vie. L’ancêtre du grille-
pain électrique (cf figure1) nécessitait la présence permanente d’une personne pour surveiller le pain
qui grillait dans l’âtre. Le premier grille-pain électrique fut inventé en Grande-Bretagne en 1893 (cf
figure 2) par Crompton and Co et réinventé en 1909 aux Etats-Unis. Le premier grille-pain était conçu
de manière à être branché à une douille pour ampoule La plupart du temps, ils étaient faits de métal
pressé et de métal coulé recouvert de Un petit appareil ménager qui a gagné de l'importance au petit
déjeuner après 1910 fut le grille-pain électrique.
Il s'agissait tout simplement d'un fil de résistance au nichrome enroulé autour d'une feuille plane de
mica ou d'amiante. La plupart des premiers grille-pain électriques n'étaient pas fermés; le pain était
appuyé sur un support de broche placé des deux côtés du grille-pain tout près de l'élément vertical.
Un peu plus tard, les fabricants ont ajouté un petit support sur le dessus du grille-pain pour garder la
rôtie chaude. Ces premiers grille-pains toastaient qu’un seul côté de la tartine à la fois et devait être
tournée manuellement une fois grillée.
Figure 5
Figure 1 Figure 2 Figure 3 Figure 4
En 1919, Charles Strite inventa le grille-pain « pop up » (cf figure 5) de
type «puits» muni d'une minuterie qui sonnait une fois que le pain avait été
dans le puits pour un temps prédéterminé. Au son de la cloche, le courant était
coupé et un mécanisme à ressort éjectait la tranche.
Toutefois, le mécanisme était problématique : étant donné que le grillage se
faisait en fonction du temps au lieu de la chaleur, les tartines pouvaient être trop brunies une fois
que l'élément était chaud.
En 1920, un certain nombre de fabricants avaient lancé des grille-pain munis d'un dispositif
mécanique pour retourner la tranche de pain. Cependant, ce n'est qu'environ 10 ans plus tard que
des portes ont été ajoutées pour fermer l'appareil.
3

Figure 6
De 1920 à 1940, le grille grille-pain pain a subi plusieurs transformations
importantes. La première fut l'ajout d'un boîtier et de portes aux modèles
verticaux. Plus tard, une pièce arrondie de métal a été ajoutée à la base de la
surface intérieure des portes du grille grille-pain (cf figure 6) de sorte que lorsqu'on
fermait les portes, les tranches de pain gl glissaient et se retournaient.
Pour surmonter le problème des tartines trop grillées, , les fabricants ont commencé à
intégrer une bande bimétallique qui coupait le circuit et actionnait un levier qui servait à libérer le
support quand l'intérieur du puits était chaud. Les grille-pain pain munis de ce mécanisme «d'éjection»
ont fait leur apparition dans les catalogues vers 1940.
A partir des années 50, les grille grille-pains pains n’évoluent plus dans leurs mécanismes mais changent
au niveau du design et des diverses foncti fonctionnalités onnalités (ramasse miette, décongélation, support
croissant…)
4

2) Généralités sur le grille-pain pain
a. Mécanisme de fonctionnement :
En général, le grille-pain pain a recours aux propriétés du rayonnement infrarouge pour pouvoir
chauffer et/ou griller une tranche de pain. Le processus de déclenchement du mécanisme s’effectue
comme suit : un courant électrique passe tout d’abord à travers un alliage nickel nickel-chrome en bobine.
Ceci a pour effet de produire de la chaleur : l’effet Joule. C’est cette chaleur là qui sera à l’origine du
mécanisme qui chauffera et/ou grillera le pain.
Quant à la caramélisation, elle résulte d’un processus chimique, mais tout aussi simple : le
pain grillé est constitué de moins de pourcentage d’eau qu’un simple pain car, approxima approximativement
35 % de la masse d’eau s’est évaporée. Sous l’effet de la chaleur, l’amidon se transforme en simples
sucres après s’être brisé.
Le mécanisme d’éjection repose sur l’action d’une bande bimétallique coupant le circuit et
actionnant le levier dans le dessein de libérer le support lorsque l’intérieur de l’appareil est chaud.
Ce système fonctionne sur la base d’un mouvement vertical d’un chariot porte pain à l’intérieur
d’une chambre de grillage, ce mouvement permettant, à la descente, d’alimenter des é ééléments
chauffants pour réaliser le grillage du pain, la remontée du chariot coupant l’alimentation de ces
éléments chauffants.
Mécanisme relâché
Système d’éjection
5
Mécanisme enclenché

. Consommation d’énergie
Entre 600 et 1 200 W, c’est la fourchette de consommation d’énergie du grille-pain.
L’étiquette label se matérialise par une lettre variant de A à G. Elle renseigne sur la consommation
d’énergie du matériel et se déchiffre de manière très simple : plus l’on se rapproche de la lettre A,
moins l’appareil est consommatrice d’énergie.
c. Le marché du grille-pain
Le taux d’équipement des grille-pain électriques est en France d’environ 70 %. Pour
26 millions de ménages, le nombre d’appareils en service est évalué à 18 millions. Le marché français
des grille-pains électriques est estimé à 1 330 000 pièces par an. Le prix public moyen du grille-pain
se situe aux environs de 24,90 Euro. Un appareil vendu 10 Euro de plus, soit environ 35 Euro, se place
dans le haut de la gamme, ce segment représentant moins de 10 % du marché actuel.
Les principales marques fabriquant des grilles pains sont : Seb, Kenwood, Philips, Magimix,
Morphy, Russel Hobbs, Kitchen Aid, Singer, Siemens… Le leader sur le marché, détenant 20 à 30% des
parts de marché est l’entreprise Seb regroupant : Seb, Moulinex, Krups, Rowenta.
d. Représentation systémique
e. Etude systémique
Tension
prise
électrique
Minuterie
Influence directe
Influence indirecte
Maintenance
MECANISME D’EJECTION DU GRILLE PAIN
Bilame
Aimant Chariot
Ressorts
Types de
matériaux
6
Interrupteur
Poids de la
tranche
Utilisateur

3) Etude technique
a. Propriété intellectuelle
- Nombre de brevets internationaux : environ 450 (sur EspaceNet)
- Sur ce panel de brevets nous en avons consulté un certain nombre et retenu 3 pour leurs
schémas et leurs analogies avec le grille pain étudié.
- Brevet 2899084 « Grille pain »
Date de dépôt : 31/03/06
Demandeur : Seb
- Brevet 2740318 « Grille pain électrique »
Date de dépôt : 31/10/95
Demandeur : Moulinex
- Brevet 2646337 « Grille pain »
Date de dépôt : 28/04/89
Demandeur : Moulinex
b. Propriétés techniques
Le grille-pain dispose d’un bouton de commande (1) actionnant un mécanisme déclenchant
un cycle de grillage et d’éjection des tranches de pain, ce bouton remontant automatiquement en fin
de cuisson lors de l’éjection des tranches.
Une pièce principale appelée entraineur (2) est montée coulissante le long d’une colonne
verticale (3) agencée entre les parties hautes et basses du bâti du grille pain. Cet entraineur porte le
bouton de commande (1) en partie supérieure, et comprend une masse en fer (4) ainsi qu’un doigt
(5) en interaction avec un ensemble de lamelles métalliques souples (6). Ces lamelles forment un
interrupteur bipolaire (6) avec des lamelles fixes adjacentes dans le circuit électrique d’alimentation
des éléments chauffants et portées par une carte électronique (7) liée, en partie basse au bâti du
grille-pain.
électronique.
L’électroaimant (8) de maintient de la masse en fer de l’entraineur est porté par la carte
Les grilles de serrage (9) de la chambre de chauffe sont mobiles en rotation en parallèle à
l’axe Ox, cette rotation étant provoquée par la déformation d’un ressort (10) disposé entre les 2
grilles par des attaches (11).
En partie centrale, l’actionneur (12) porte côté chambre de chauffe un chariot porte pain(13).
Lorsque l’utilisateur, après avoir introduit une ou plusieurs tranches de pain dans la chambre
de chauffe, abaisse le bouton de commande (1) et donc les deux pièces (entraineur(2) et actionneur
7

(12)), l’interrupteur bipolaire (6) du circuit d’alimentation de la carte électronique (7) se ferme sur
une première partie de l’entraineur et de l’actionneur par emboitement du doigt (5) entre les
lamelles. Ceci provoque la mise sous tension de l’électroaimant (8) ainsi que celle des éléments
chauffants.
Dans ce premier mouvement de descente du bouton de commande (1), l’électroaimant (8)
est, certes, alimenté, mais la masse en fer (4) est encore trop éloignée pour être maintenue par ledit
électroaimant. Ceci est réalisé par un déplacement supplémentaire du bouton de commande (1) par
l’utilisateur qui aboutit à une configuration où la masse en fer est au contact de l’électroaimant,
permettant de maintenir l’entraîneur (2) en position basse, contre la force de rappel du ressort (14).
A la fin d’un cycle de grillage l’entraîneur (2) et l’actionneur (12) étant en position basse, le
circuit électronique (7) arrête l’alimentation de l’électroaimant (8) qui libère la masse en fer(4). Ceci
entraîne le retour de l’entraîneur (2) en position haute, soumis à la force de rappel du ressort (14).
Le ressort (15) de la colonne verticale (3) sert à amortir l’éjection de la tartine, de minimiser
le bruit de l’éjection, il peut également être utile pour relever le chariot si une tranche est trop
petite ou bloquée au fond du grille pain.
8
Grille pain en position haute (vue avant
gauche)

9
Grille pain en position haute (vue avant droite)
Grille pain en position haute (vue profil)
Grille pain en position basse

4) Etude Expérimentale
a. Calcul de la constante de raideur et de la force minimale à appliquer
Nous avons essayé de déterminer expérimentalement la constante de raideur du ressort associé à ce
système afin d’en déduire la force minimale qu’il faut appliquer pour enclencher ce mécanisme.
Schéma :
Système : {Ressort de raideur k}
Référentiel : terrestre (galiléen)
Bilan des forces :
Force de rappel du ressort de raideur k : Fo=kxex x : allongement
Poids : P=-mgex
Principe fondamental de la dynamique appliqué à ce système lorsqu’il est à l’équilibre :
P+Fo=0
Projection sur l’axe Ox : -mg+kx=0
k=mg/x (N.m -1 )
10

Nous avons effectué ces calculs pour plusieurs masses :
x (cm) k (N.m)
10,4 11,78
10,9 22,48
11,3 43,36
Nous obtenons un k qui varie de façon exponentielle avec la masse, or la constante de raideur
devrait être constante.
Nous avons donc cherché à déterminer k dans une la zone où le fonctionnement du ressort est
linéaire c'est-à-dire une zone où il ne subit pas une force contrainte. Pour ce faire nous avons
recommencé l’expérience avec une masse de 100g. Nous avons ainsi obtenu un allongement de
8,6cm.
Nous en déduisons : k= (0,1*9,81)/ 0,086 = 11,39 N.m -1
Pour une masse de 125g nous avons x=10,4cm d’où k= (0,125*9,81)/0,104 = 11,78 N.m -1
Nous trouvons des valeurs de la constante de raideur assez proches pour m=100g et m=125g donc
nous pouvons supposer que k est constante.
En faisant la moyenne des valeurs nous trouvons :
Calcul de la force minimale :
k=11,585 N.m -1
xmin est l’allongement minimale pour mettre en route l’interrupteur.
Et donc
Fmin=kxmin=11,585*0,181
50
40
30
20
10
0
Fmin=2,09 N
mmin=Fmin/g=213 g
11
k=f(x)
10,2 10,4 10,6 10,8 11 11,2 11,4
y = 4E-06e 1,441x
R² = 0,995
k=f(x)
Expon.
(k=f(x))

De plus il faut noter que dans nos calculs nous n’avons pas pris en compte le poids des
tartines sur le chariot porte pain. Nous en déduisons donc que si celui-ci est chargé un effort moindre
sera suffisant pour enclencher le mécanisme du système.
Cette force minimale correspond à la force que l’on applique dans la zone de fonctionnement
linéaire du ressort, pour enclencher le doigt d’actionnement dans le bilame il faudra prendre e
compte une contrainte supplémentaire dans notre système qui impliquera donc une force à
appliquer plus importante.
b. Représentation du mécanisme d’éjection par un schéma cinématique
Nous pouvons décomposer le mécanisme du grille pain en quatre ensembles :
- Ensemble n°1 (en bleu) : le support, il est constitué de l’entraineur, de la plaque en silice et
de l’électroaimant.
- Ensemble n°2 (en rouge) : l’ensemble came et chariot porte pain, qui est constitué de la
came en plastique, de la pièce qui s ‘aimante, de la pièce qui permet à l’utilisateur de
descendre le chariot porte pain, et du chariot porte pain.
- Ensemble n°3 (en orange) : l’ensemble constitué des deux pièces en cuivre, qui, lorsqu’elles
sont en contact avec le support électrique permet à la bobine de créer un champ
magnétique.
- Ensemble n°4 (en vert) : l’ensemble constitué des deux grilles.
Nous observons que l’ensemble n°3 est relié à l’ensemble n°1 par une liaison glissière suivant
l’axe y. L’ensemble n°2 est relié à l’ensemble n°1 par une liaison glissière suivant l’axe x. Et
l’ensemble 3 est relié à l’ensemble 1 par une liaison pivot d’axe suivant l’axe z. Ainsi, l’ensemble n°1,
c’est à dire le support est relié aux trois autres ensembles.
De plus, ces ensembles sont reliés par d’autres liaisons. En effet, lorsque le chariot porte-pain
descend, les grilles se referment. Il ya donc liaison entre l’ensemble n°2 et n°4. Cependant, on
observe que le chariot porte-pain n’actionne pas tout de suite les grilles lorsqu’il descend, c’est
seulement à partir d’une certaine distance que les grilles vont être actionnées. En effet, elles sont
actionnées par un ressort qui a une forme spécifique. Pour remplacer le ressort par un mécanisme
cinématique, nous créons une nouvelle liaison glissière suivant l’axe y qui se positionne juste en
dessous de la première de manière à ce qu’elle soit actionnée à une certaine distance lorsque le
chariot porte-pain descend. C’est cette liaison qui est relié aux grilles par une liaison pivot d’axe z
pour permettre l’action de la glissière suivant l’axe y. Enfin, à une certaine distance, lorsque le
12

chariot porte-pain descend, une came va actionner les plaques en cuivre pour créer un contact
électrique. Ainsi il y a une liaison pivot d’axe z entre la seconde glissière et l’ensemble n°1.
Cette description du mécanisme est mise sous forme de schéma cinématique ci-dessous.
Support
grille pain
z
y
x
Contact
électrique
13
Ensemble
came et
chariot
porte pain
Grille

c. Modélisation du système sous Solidworks
Pour étudier la partie mécanique du grille pain, nous avons fait abstraction de l’ensemble
électrique, c’est dire, le circuit électronique et les résistances situées sur les cotés internes du grille
Nous avons modélisé l’actionneur composé
d’un doigt d’actionnement et d’un chariot porte-pain
auquel sont assemblés un bouton de commande et
une masse en fer.
Le doigt d’actionnement doit être arrondi pour
s’insérer facilement entre les bilames et sa largeur
doit s’agrandir pour écarter les bilames pour créer un
contact électrique.
pain. Cependant, nous avons modélisé le circuit électronique par une
plaque (n°7) portant le bilame en cuivre et l’électroaimant. Ces
derniers faisant partie intégrante du mécanisme parce qu’ils
permettent d’enclencher le fonctionnement du grille pain.
Nous n’avons pas pu modéliser fidèlement le ressort permettant le mouvement de rotation des
grilles de serrages car il était trop complexe à créer sur Solidworks. En effet, il possède une forme
non ellipsoïdale et un matériau flexible ; nous l’avons donc remplacé par un mécanisme équivalent
qui s’en rapproche. Le croisement du ressort initial est remplacé par un ressort classique mis entre
les deux attaches des grilles de serrage. Ainsi, lorsqu’on abaisse le bouton d’actionnement,
l’actionneur entraine la descente du ressort rigide et la compression du ressort classique : le
mouvement de translation verticale est transformé en translation horizontale.
Ressort semi-rigide
14
Ressort classique

La principale difficulté lors de la modélisation a été l’assemblage des différentes pièces. En
effet, la CAO a nécessité la conception de 24 pièces et 12 assemblages. Pour emboiter les différentes
pièces nous avons dû nous mettre d’accord sur les différentes cotations. En effet, étant donné que
nous faisions tous des pièces différentes, nous devions être rigoureux pour déterminer les
emplacements et les profondeurs de perçage pour un bon emboitement.
15
Vue éclatée du grille-pain
Afin de modéliser le mouvement des grilles et de la tige porte-pain, nous avons utilisé
Soliworks Animator. Cette partie de Soliworks nous a permis de réaliser des petites vidéos
reproduisant le mouvement du grille-pain (voir les vidéos en fichier joint). Cependant, Solidworks ne
permet pas de déformer des pièces ; ainsi, nous ne pouvons pas visualiser le mouvement des ressorts
qui restent figés. Pour faire les simulations, nous n’avons donc pas tenu compte des ressorts.
Nous n’avons pas voulu faire de prototypage rapide car dans notre cas, cela n’a pas une
grande utilité. En effet, notre mécanisme doit utiliser un électroaimant, c’est à dire du courant
éclectique, pour que la tige porte-pain soit en bas. De plus, la remontée de cette tige est due
principalement à un ressort. Or les ressorts ne peuvent pas être prototypé par la machine à
prototypage rapide car ils perdraient leurs flexibilités. Enfin, notre mécanisme fait une grande
surface, ce qui est notamment dû aux grilles, il couterait cher à fabriquer.

5) Bibliographie
- Historique du grille-pain :
http://inventors.about.com
http://www.sciencetech.technomuses.ca
http://www.mccord-
museum.qc.ca/fr/collection/artefacts/M990.778.7?Lang=2&accessnumber=M990.778.7
http://wikipedia.fr
- Mécanisme de fonctionnement du grille-pain:
http://www.gizmohighway.com/history/toaster.htm
http://www.howstuffworks.com/toaster.html
- Rapport relatif à la sécurité des grille-pains :
http://www10.finances.gouv.fr/fonds_documentaire/dgccrf/boccrf/05_03/a0030035.html
- Propriétés des ressorts :
www.chimix.com/an4/an40/prem/ressort.html
Exercices et problèmes - Physique - 2e année MP-PC-PSI-PT, Jean-Marie Brébec , Hachette
- Aide pour le schéma cinématique :
www.ac-orleans-tours.fr/sti/dw2_out.php?id=561
- Brevets :
fr.espacenet.com
- Marché du grille-pain :
www.groupeseb.com
www.etudes-marche.com
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CONCLUSION
Cette étude du grille-pain nous a permis d’apprendre à faire de la conception. Sur un objet
qui existe déjà, nous avons mis en pratique nos connaissances en mécanique pour comprendre et
connaître un mécanisme, en construisant un schéma cinématique, donnant un ordre de grandeur des
forces qu’implique le système. Par ailleurs, nous avons pu faire connaissance avec un logiciel de CAO,
Solidworks, et un système pour créer un prototype, la machine à prototypage rapide. Cette étude ne
nous destine pas à devenir des experts en Solidworks car nous n’avons pas vocation à le devenir.
Cette étude nous a aussi permis d’aborder l’étude d’un objet d’une façon globale avec une étude
systémique, et avec une dominante mécanique.
Le fait de rechercher l’historique d’un produit permet de voir l’évolution d’un mécanisme en
fonction des technologies existantes et l’environnement socio-économique. Aujourd’hui, un grille-
pain est devenu un objet banal, présent dans tous les foyers et dont le cout est peu élevé. Cela
n’était pas le cas lors de son apparition. Etant produit en très grande quantité, pour un cout très
faible, le grille-pain possède le mécanisme le plus simple possible pour remplir sa fonction. Par
ailleurs, étant donné qu’il est un facteur d’incendie, il doit satisfaire à des exigences qui le
complexifient. Ainsi, nous avons un mécanisme bas de gamme (utilisation de divers ressorts) mais
avec une partie électronique ingénieuse grâce à un électroaimant.
Pour finir, cette étude nous a permis de nous plonger dans le domaine conception de
produit, un domaine que nous retrouverons dans les années à venir dans les projets que nous aurons
à mener où la conception par ordinateur pourrait être une phase importante.
17