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DOSSIER TECHNIQUE 2013 DUCHAMP Thomas
Stabilisateur pour véhicule deux roues.
Dossier technique
Stabilisateur de véhicule deux roues
DUCHAMP Thomas 2
Sommaire :
1. Présentation du projet
2. Etude du cahier des charges
3. Recherche de solution
4. Etude de solution permettant une liaison glissière
5. Recherche du centre de gravité du vélo
6. Echec d’une solution
7. Solution finale
1. Présentation du projet :
Mon projet est de créer un stabilisateur pour vélo. Nous nous sommes
servis du vélo à assistance électrique ISD 601. Cette béquille a pour intérêt de
venir en aide aux personnes lors d’un arrêt de leur vélo. Elle permet à
l’utilisateur de ne pas avoir besoin de poser ses pieds au sol pour garder
l’équilibre. De plus, dans le cahier des charges donné, la béquille doit être
électrique et fonctionner à l’aide d’un bouton. Notre problématique était
donc : « Comment créer un stabilisateur électrique pour un vélo ? »
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2. Etude du cahier des charges :
Pour commencer nous avons étudié le cahier des charges de différentes
façons. Pour ma part, je l’ai étudié en créant un diagramme des utilisateurs. Ce
diagramme sert à voir (intérieur du rectangle) les différents critères à respecter
pour concevoir le produit. Ces critères sont mis dans un rectangle qui
représente le produit. Autour de ce produit on place les différents éléments qui
sont prises en compte et qui agissent sur le produit, et on les relie avec les
différents critères.
Ce diagramme est très important et doit être respecté tout au long du
projet, car il traduit en partie le cahier des charges.
Utilisateur
Route Vélo
Commande
Simplicité de déclenchement
Automatisation du fonctionnement
Stabilité du vélo par rapport à la route
Sécurité de l’individu par rapport aux autres
personnes
Démontable et adaptable sur plusieurs vélo et/ou
deux roues
Ne pas gêner l’utilisation et le fonctionnement
Stabilisateur
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3. Recherche de solution :
Pour commencer notre recherche de
solution chaque membre du groupe avait pour
tâche d’imaginer une solution pour répondre à
notre problématique.
Voici ma solution : tout d’abord
représentée sous forme de schéma sur Paint.
Mon idée était de placer une roulette de part
et d’autre du vélo. Cette solution venait se
fixer sur l’axe de la roue arrière : un ressort
venant appuyer sur une barre métallique, où
au bout était fixée la roulette, permettait à la
roulette de rester plaquée au sol. Un moteur
permettait de comprimer le ressort, et ainsi de
remonter la béquille.
Dans un second temps, ma solution
représentée sous forme d’un schéma
cinématique :
- en noir, l’ensemble du vélo
(considérer comme support pour les autres éléments du système),
- en bleu, la barre métallique relié au vélo, à la roulette, et au ressort,
- en vert, la roulette reliée par une liaison pivot à la barre métallique,
- en rouge, le ressort relié par une liaison rotule, la même qui le relie au
vélo.
Conclusion : Cette solution n’a pas été retenue par l’ensemble du groupe,
car le problème qui se posait était le maintien de la roulette dans sa position
haute. Il fallait comprimer un ressort et donc faire fonctionner le moteur en
permanence ce qui crée une consommation importante d’énergie et une
chauffe du moteur. Ainsi ce dernier aurait fini par griller. Un système de
blocage aurait pu être envisagé sur cette solution.
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4. Etude de solution permettant une liaison glissière :
Pour la réalisation de notre solution finale
nous avions besoin de trouver des solutions
pour empêcher le système d’avoir une rotation.
J’ai pu trouver les deux solutions suivantes :
- La première solution fut de créer
une liaison pivot grâce à une crémaillère et à un
support rectangulaire. Le problème fut
l’hyperstatique, car il y avait énormément de
frottement exercer sur les côtés de la
crémaillère. J’ai donc pensé à insérer des billes
le long de deux côtés de la solution.
Conclusion : Cela était trop couteux et trop
compliqué à réaliser. Cette étude ne fut donc
pas retenue.
- La deuxième solution fut
d’empêcher la rotation grâce à deux liaisons
pivot-glissantes ajoutées. On obtient alors une
seule liaison glissière. J’ai trouvé un léger
problème à cette solution : l’ensemble des axes
doit être parfaitement aligné pour que le
système ne soit pas hyperstatique.
Conclusion : Cette réalisation mécanique est
impossible à notre niveau, mais nous nous
sommes servi de cette solution technique pour
notre solution finale en trouvant comment
résoudre ce problème.
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Planche de bois Balance
𝑃1 𝑟𝑜𝑢𝑒 𝑎𝑟𝑟𝑖è𝑟𝑒
Planche de bois Balance
E = 1.25 m
1.25m
𝑃
𝑃1 𝑎𝑟
𝑃1 𝑎𝑣
L
5. Recherche du centre de gravité du vélo :
Pour déterminer le poids du vélo j’ai tout d’abord pesé une personne
seule. Puis cette personne a porté le vélo, et est montée sur la balance. J’ai
alors trouvé une masse de 41 kg soit un poids de 402N.
Pour déterminer la distance horizontale à
laquelle est le centre de gravité par rapport à
l’axe de la roue arrière, j’ai posé la roue
arrière sur une balance, et pour que le vélo
soit parfaitement à l’horizontal, j’ai mis une
cale égale à l’épaisseur de la balance sous la
roue avant. J’ai pu relevé une masse de 18 kg
soit un poids de 177 N.
J’ai reproduit la même chose pour l’avant du
vélo et j’ai pu lire une masse de 23 kg soit un
poids de 225N.
Mes mesures ont pu être confirmées car elles
sont identiques :
225 N + 177 N = 402 N
Grâce à de la documentation trouvée sur
internet, j’ai utilisé la formule suivante
pour déterminer la distance horizontale.
J’ai calculé L :
Nous savons donc maintenant que le centre de gravité se situe à une
distance de 550 mm à l’horizontale de l’axe de la roue arrière.
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BalanceTabouret
𝑃2 𝑟𝑜𝑢𝑒 𝑎𝑟𝑟𝑖è𝑟𝑒
Planche de bois
Balance
Tabouret
𝑃2 𝑟𝑜𝑢𝑒 𝑎𝑣𝑎𝑛𝑡
Planche de bois
𝑃2 𝑟𝑜𝑢𝑒 𝑎𝑟𝑟𝑖è𝑟𝑒
ᶿ
h
L
α 𝑃
Pour déterminer la distance verticale à
laquelle on trouve le centre de gravité, par
rapport à l’axe de la roue arrière, j’ai posé
la roue arrière sur une balance et la roue
avant sur un tabouret avec la même
épaisseur de bois que l’épaisseur de la
balance. Ce qui m’a donné un écart de 54
cm entre les roues. La balance indiquait
une masse de 26 kg soit 255 N.
J’ai reproduit la même expérience en
échangeant la balance et l’épaisseur de
bois, pour garder un écart identique entre
les deux expériences. J’ai pu alors lire une
masse de 15 kg soit 147 N.
Grâce à de la documentation trouvée sur
internet nous avons pu trouver la formule
permettant de déterminer la distance
verticale à laquelle est le centre de
gravité :
- Calcul de l’angle α :
- Pour α égale à 25°, calcul de
h :
Cette recherche nous a servi pour différentes études, comme par
exemple la force exercée sur la roulette.
= 25.59
2
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6. Echec d’une solution :
Notre recherche avait donc aboutit à cette solution :
Pour cette solution j’ai réalisé la partie arrière (voir photo), à l’aide de
Solidworks.
Pour avoir une idée de la pièce je l’ai ensuite
prototypé à l’aide de l’imprimante Uprint 3D
disponible dans mon lycée. Elle a prototypé
cette pièce en ABS.
Mais notre solution c’est avérée être un échec car nous avions un
problème de réversibilité du système. C’est-à-dire que lorsque l’on venait à
prendre appuis sur la béquille celle-ci remontait. Nous avons donc dû garder
certaines de nos idées et résoudre ce problème, ce qui nous a pris du temps.
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7. Solution finale :
Mon rôle dans la solution finale était le même que le précédent : trouver
un moyen d’attacher notre solution au vélo.
Dans le cahier des charges il était précisé que l’on devait pouvoir
attacher notre solution sans aucune modification du vélo (pas de perçage ou
autre). J’ai cherché tout en sachant que notre solution devait être à l’arrière du
vélo pour des raisons de sécurité. En effet, en plaçant notre solution sur la
roue avant (c’est dire sur la fourche), lorsque le vélo serait en appuis sur la
roulette le guidon tournerait, et l’utilisateur tomberait. L’emplacement le plus
adapté que j’ai trouvé est celui-ci :
J’ai choisi trois des perçages déjà existants car ils sont de même
diamètre, et on peut donc venir y insérer les mêmes vis et écrous. Ils sont aussi
suffisamment espacés pour permettre une certaine stabilité.
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A l’aide d’un pied à coulisse j’ai mesuré et trouvé 6 mm de diamètre pour
ces perçages. J’ai donc décidé d’utiliser des vis HC M6 à filetage réduit, d’une
longueur de 25mm (tête comprise). Son filetage s’étend sur 18 mm, ce qui nous
suffit dans notre cas, car la pièce et les trous sur le vélo ne sont pas taraudés.
De plus, la longueur est suffisante pour ne pas gêner la roue du vélo.
Par la suite j’ai mené une étude pour déterminer le matériau dans lequel
réaliser ma solution. Pour cela je me suis servi du logiciel simulation Xpress
disponible avec Solidworks. J’ai essayé pour deux types de matériaux :
- L’acier inoxydable :
On peut voir que la pièce n’a aucune contrainte, car ce
matériau absorbe l’ensemble des contraintes mécaniques, qui
sont le poids de la solution et/ou l’appui de l’utilisateur sur la
béquille. Ces contraintes exercent une compression de la pièce
qui tendra vers un flambage. Il résiste de plus normalement
aux intempéries ce qui est important pour un vélo. L’acier
inoxydable à une masse supérieure à l’aluminium (8020
kg/m3), mais le poids de la pièce n’aura aucun impact sur la
solution étant donné qu’il est attaché directement au vélo.
Cependant l’acier inoxydable a une empreinte carbone bien
inférieure à celle de l’aluminium (4.73 kg de CO2/kg). Je
prendrai donc l’acier inoxydable pour réaliser ma pièce car son
impact sur l’environnement est inférieur à l’autre matériau.
- L’aluminium :
On peut voir que la pièce est légèrement plus contrainte
que précédemment pour une même compression. Mais cela
reste assez tolérable et la pièce résistera aux contraintes
mécaniques, et très bien aux intempéries. Malgré que sa masse
soit bien inférieure à celle de l’acier inoxydable (2700kg/m3), le
poids de la pièce, tout comme précédemment, n’a aucun
impact sur la solution. Son empreinte carbone est largement
supérieure à l’acier inoxydable (13.4 kg de CO2/kg), c’est
pourquoi je n’ai pas retenu l’aluminium.