DOSSIER TECHNIQUE 2013 DUCHAMP Thomas

Stabilisateur pour véhicule deux roues.

Dossier technique

Stabilisateur de véhicule deux roues

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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

1

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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.