Conception et fabrication dun moteur Stirling type alfa en aluminium

Etudiants : Bilel CHAKROUN Thomas DOUGUET Maxime CHEVALLIER Gatan GRIMBERGER Nelson DIONISI Mehdi EL OUZGANE

Projet de Physique P6-3 STPI/P6-3/2010 33

Enseignant-responsable du projet : C. Lecoq et F.Dhaouadi

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INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE ROUEN Dpartement Sciences et Techniques Pour lIngnieur

BP 8 place Emile Blondel - 76131 Mont-Saint-Aignan - tl : 33 2 35 52 83 00 - fax : 33 2 35 52 83 69

Date de remise du rapport : 17/06/2010

Rfrence du projet : STPI/P6-3/2010 33

Intitul du projet : Conception et fabrication dun moteur Stirling type alfa en aluminium

Type de projet : exprimental, conception

Objectifs du projet : Concevoir et fabriquer entirement un moteur Stirling de type alfa grce aux machines-outils de lINSA, aux logiciels de CAO-FAO et nos connaissances en mcanique et thermodynamique.

Si existant, n cahier de laboratoire associ : xxx

TABLE DES MATIERES

1. Introduction ..................................................................................................................... 5 2. Mthodologie / Organisation du travail ............................................................................... 6

2.1. Historique et fonctionnement du moteur Stirling............................................................ 7 2.1.1. Historique.......................................................................................................... 7 2.1.2. Le principe de fonctionnement d'un moteur Stirling ................................................ 8 2.1.3. Les diffrents types de moteur Stirling ................................................................10

2.2. Conception des pices ...............................................................................................12 2.2.1. Ce que peuvent faire les machines de lINSA ........................................................12 2.2.2. Critres de choix du moteur ................................................................................13 2.2.3. Dessin des pices et cration des plans depuis SolidWorks .....................................14

2.3. Programmation d'un usinage en tournage et fraisage .....................................................16 2.3.1.1. Programmation sur RealMil.............................................................................16 2.3.1.2. Programmation sur RealTurn...........................................................................18 2.3.1.3. Envoi du programme vers la machine ...............................................................19 2.3.2. Les tapes de l'usinage: ......................................................................................21

2.4. Montage du moteur stirling ........................................................................................28 2.4.1. Mise au point ....................................................................................................28 2.4.2. l'ajustement mcanique.......................................................................................28 2.4.3. Assemblage du moteur Stirling faon IKEA..........................................................31

3. Conclusions et perspectives ..............................................................................................34 4. Bibliographie ..................................................................................................................37 5. Annexes .........................................................................................................................38

5.1. Documentation technique ..........................................................................................38 5.2. Schmas de montages, plans de conception ..............................................................39

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1. INTRODUCTION

De nos jours, la part de lingnieur dans lindustrie est de plus en plus importante. En effet, il est ncessaire de couvrir une large gamme doprations, allant de la conception prliminaire dun produit sa fabrication, son assemblage et ses rglages.

Notre projet nous a permis dapprhender tous ces aspects, en concevant puis fabriquant un moteur stirling de type alpha de toutes pices. Nous avons donc dcouverts la conception grce au logiciel de CAO SolidWorks, puis limplmentation sur machine-outil grce aux logiciels de FAO RealMil et RealTurn, et enfin nous avons fabriqus les pices grce au tour et la fraiseuse 3 axes prsents dans les btiments STPI. Dautre part, ce projet nous a permis de nous familiariser avec le travail en groupe, o il est ncessaire de rpartir les tches en fonction des comptences de chaque personne, de sassurer de la coordination du projet, du respect des dlais, ainsi que le respect dun cahier des charges. Le respect des dlais fut difficile, car notre projet demandait beaucoup de travail, de la conception, la fabrication, avec tous les problmes que lon peut rencontrer dans ces diffrentes tapes (dimensionnement, usinage impossible, matrise des machines, pannes matrielles), cest pourquoi nous avons parfois d faire des heures supplmentaires hors de nos heures de cours. Ceci permet de bien rendre compte de la difficult et de la somme de travail demande par un projet, ainsi que la ncessit dun grand engagement personnel.

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2. METHODOLOGIE / ORGANISATION DU TRAVAIL

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2.1. Historique et fonctionnement du moteur Stirling

2.1.1. Historique

2.1.1.1. Le contexte Le moteur Stirling aussi appel moteur air chaud est un moteur combustion externe, c'est dire que la source de chaleur se trouve en dehors du moteur contrairement la plupart des moteurs que l'on trouve dans les voitures d'aujourd'hui.

Il fut invent par Robert Sterling un pasteur d'origine cossaise n en 1790 et mort en 1878. Avant de se tourner vers des tudes de pasteur il suivit de brillantes tudes de 1805 1808 l'universit d'dimbourg.

Le XIXme sicle, dont il fut contemporain, fut le thtre d'un trs grand nombre de dcouvertes scientifiques mais aussi de nombreux incidents techniques et accidents notamment lis aux chaudires vapeur trs utilises l'poque mais qui pouvaient aussi exploser trs frquemment en raison des trs fortes pressions prsentes l'intrieur. Pour pallier ces difficults Robert Sterling imagina en 1816 un moteur sans chaudire air chaud au principe relativement simple mais nanmoins brillant. Le brevet fut dpos la mme anne mais devint effectif au dbut de l'anne 1917.

2.1.1.2 Son dveloppement au cours des annes Le principe du moteur Stirling repose sur des concepts de base de la thermodynamique. Le cycle associ ce type de moteur est le suivant. Un gaz (de l'air dans la plupart des cas) est chauff par une source de chaleur externe. Il subit ensuite une dtente, puis une dtente et enfin une compression. Et pour augmenter le rendement de ce moteur Robert Stirling eu l'ide d'y intgrer un lment trs astucieux, le rgnrateur de chaleur qu'il appelait de faon pragmatique un conomiseur . Ce rgnrateur implant dans la tuyauterie du montage permet d'viter de trop grandes pertes d'nergie durant le cycle. Et finalement c'est son frre, James Stirling, qui l'industrialisa pour la premire fois en 1843 afin de l'utiliser dans l'usine dans laquelle il travaillait en tant qu'ingnieur. Ce moteur connut

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ensuite diverses applications jusqu'en 1922 comme par exemple pour pomper de l'eau o faire tourner des gnrateurs lectriques. Malgr tout il ne connut pas le succs attendu et qu'il mritait sans aucun doute. Ceci en raison du monopole de la machine vapeur plus rpandue l'poque et plus tard cause de l'essor du moteur thermique combustion interne qui s'imposa trs vite sur le march. En 1938 la socit Philips investit dans la conception et la ralisation d'un moteur Stirling qui donna le jour un moteur automobile de plus de 200 chevaux ayant un rendement de plus de 30%. Mais l encore le succs n'a pas t au rendez vous. Cependant avec les nouveaux besoins actuels concernant l'cologie et la recherche d'nergies alternatives ce moteur est actuellement l'objet d'un intrt tout nouveau et est dores et dj utilis pour produire de l'nergie lectrique (coupl avec des paraboles solaires pour sources chaudes et associ un alternateur par exemple) ou mme de la chaleur (chaudire de cognration notamment). Il est donc fort probable qu'avec les progrs raliss jusqu'ici par la science, en particulier dans le domaine des moteurs lectriques (dont le Stirling pourrait servir produire son lectricit) ce moteur pourrait avoir de beaux jours devant lui. 2.1.2. Le principe de fonctionnement d'un moteur Stirling

2.1.2.1. Le cycle de Stirling Comme nous l'avons dj dit, le fonctionnement du moteur Stirling est plutt simple. Le principe est de produire de l'nergie mcanique partir d'nergie thermique. On a un gaz (de l'air ou autre) qui est soumis un cycle comprenant quatre phases et qui va subir des transformations qui vont conduire la cration d'un travail. Avant d'aller plus loin il est intressant de pouvoir tudier le cycle de Stirling.

Diagramme de Clapeyron du cycle

C'est un cycle thermodynamique que suivent tous les moteurs Stirling. Il est rversible ce qui implique qu'il peut fonctionner comme rfrigrateur ou comme pompe chaleur si un travail mcanique est fourni. De plus il est ferm ce qui signifie que le gaz qui subit ce cycle reste en permanence le mme l'intrieur de la machine (contrairement au moteurs combustion interne qui ncessitent un chappement). On pourrait aussi dire qu'il est rgnratif en raison de la prsence d'un rgnrateur qui augmente le rendement du moteur en restituant ou en collectant la chaleur du gaz lorsqu'il passe de la zone chaude la zone froide du montage. Concernant les diffrentes phases du cycle, on a tout d'abord (de 1 2 sur le diagramme) une dtente isotherme due la zone chaude qui augmente la temprature du gaz prsent dans la zone de dtente (le cylindre de chauffage o se trouve le piston gnralement). On a ensuite un refroidissement isochore (de 2 3). De plus, durant cette tape le gaz passe dans le rgnrateur et lui cde de sa chaleur par la mme occasion. Aprs cela le gaz subit une

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compression isotherme (de 3 4) car il se trouve dans la zone froide o la temprature est ncessairement moins leve que dans la zone chaude. Et pour finir on a un chauffage isochore lorsque le gaz repasse dans le rgnrateur et y prlve de la chaleur (de 4 1 sur le diagramme).

2.1.2.2 Le fonctionnement en lui mme Pour comprendre le fonctionnement il faut avant tout prendre connaissance des principales pices qui interagissent durant le cycle de Stirling dcrit plus haut. Tout d'abord on a au moins un cylindre ferm contenant un gaz enferm l'intrieur et o les changes de chaleur vont s'effectuer. Puis on a deux pistons : un moteur qui se charge de fournir de l'nergie mcanique au moteur, un dplaceur qui a pour rle de dplacer le gaz d'une zone chaude une zone froide et vice versa (il laisse donc passer le gaz, il n'est pas tout fait hermtique). Enfin on a un rgnrateur qui rcupre ou retransmet de la chaleur au gaz lors de son passage d'une zone une autre. Ce rgnrateur constitue un volume mort dans le moteur mais permet d'amliorer son rendement d'une faon significative car il vite de trop grandes pertes d'nergie lors du cycle. C'est en fait un changeur de chaleur qui se trouve entre la zone chaude et la zone froide du moteur. Le fonctionnement mcanique pour chaque type de moteur Stirling est sensiblement le mme, on va donc prendre l'exemple du type Bta qui nous a sembl tre le plus simple pour en expliquer le fonctionnement global. En pratique on a une source chaude qui fournit de la chaleur un gaz enferm dans un cylindre ferm. De par le fait sa temprature et sa pression augmentent, il se dilate alors et pousse un piston (appel piston moteur) ainsi que le dplaceur qui s'loignent ainsi du fond du cylindre. C'est la phase motrice du cycle dcrit prcdemment o l'nergie thermique est convertie en nergie mcanique.

Ce mouvement est transmis la bielle du vilebrequin inclus dans le moteur et associ au piston de travail. Ce vilebrequin synchronise les mouvements du piston et du dplaceur. Or la bielle associe au dplaceur est dcale par rapport la premire. Ce qui implique qu' ce stade le mouvement oblige le dplaceur redescendre au fond du cylindre chassant ainsi le gaz de la zone chaude vers la zone froide du moteur (o l'on a une source de froid tel que de l'air ou un jet d'eau froide par exemple).

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Le gaz se refroidit alors, et lors du retour du piston d l'nergie mcanique prcdemment fournie il se comprime. Comme la temprature du gaz est plus basse cette compression demande moins d'nergie mcanique que celle fournie par la dilatation du gaz haute temprature, on a donc rcupr de l'nergie mcanique en surplus grce la source de chaleur.

Et pour finir le cycle, le dplaceur retourne se placer contre le piston en s'loignant du fond du cylindre chassant ainsi le gaz vers la partie froide de ce piston pour qu'il soit chauff nouveau.

Le cycle se poursuit donc ainsi de suite avec ce dplacement d'air tantt vers la partie froide et tantt vers la partie chaude encore et encore (en rptant les tapes chauffage haute pression et compression basse pression).

2.1.3. Les diffrents types de moteur Stirling

Il existe plusieurs types de moteur Stirling diffrents. Nous n'allons donc dcrire que les trois plus connus : lalpha qui est le type du moteur de notre projet, le bta et le gamma.

2.1.3.1. Le moteur de type alpha Dans le cas du type alpha on a deux cylindres spars. La source chaude et la source froide sont ici compltement dissocies : on a un cylindre dit chaud qui se charge de rchauffer le gaz et un autre froid qui le refroidit. Il n'existe donc pas de volume mort

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que le piston ne peut pas balayer cause du dplaceur. La cinmatique est telle que le gaz passe d'un cylindre un autre tout en passant par le rgnrateur qui a pour rle de stocker de l'nergie thermique lors du transfert de la zone chaude la zone froide et de la restituer lors du passage inverse. Ce type de moteur a un trs bon rapport puissance/volume mais demande des tempratures assez importantes pour sa mise en marche.

2.1.3.2. Le moteur de type bta Le fonctionnement du moteur Stirling bta dj t expliqu prcdemment, on remarque que la principale diffrence par rapport au moteur alpha est qu'il n'y a qu'un seul cylindre qui contient la fois le piston et le dplaceur. De mme la zone froide et la zone chaude sont situes dans ce mme cylindre. Ce type a deux avantages principaux, sa compacit et l'absence de perte arodynamique lors du transfert du gaz d'une partie l'autre du cylindre. Cependant il existe des transferts thermiques de conduction l'intrieur de ce cylindre qui peuvent diminuer la diffrence de temprature entre la zone chaude et la zone froide ce qui rduit donc un peu son rendement.

2.1.3.3. Le moteur de type gamma Les moteurs de ce type sont assez simples concevoir du fait de leur mcanique peu complexe. Leur rendement est moins important que ceux des types prsents plus haut mais ils peuvent fonctionner avec de trs faibles carts de temprature, c'est dire que pour certains de ces moteurs l'cart peut tre de seulement 5C (des petits moteurs de ce type sont capables de tourner seulement grce la chaleur d'une main humaine). On peut dire que ce moteur est

Schma d'un moteur de type alpha

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une sorte de compromis entre le type Bta et le type Alpha : on a deux cylindres spars tout en restant trs proches ce qui limite les pertes thermiques lors du dplacement du gaz.

2.2. Conception des pices

2.2.1. Ce que peuvent faire les machines de lINSA

lINSA, deux machines taient principalement disponibles pour la ralisation de notre moteur.

La premire est une machine de fraisage. Il sagit dune fraiseuse C3X de RealMca . Elle permet de raliser des usinages par enlvement de matire, grce un outil appel fraise. La fraise est en rotation assez grand vitesse (environ 3 000 tours par minute) autour de son axe, et peut se dplacer en translation suivant un axe (axe Z). Dans le mme temps, la pice usiner est fixe sur un support mobile. Celui-ci peut se dplacer en translation suivant deux axes (X et Y). Grce la combinaison de ces trois translations, on peut usiner des pices de formes trs varies. Les dimensions de cette machine nous permettaient par exemple dusiner des pices denviron 15 centimtres de largeur et et de longueur, pour une paisseur denviron 3 centimtres au maximum. Cette machine permet donc de raliser la plupart des pices faible paisseur comme des bielles ou des supports. Pour les pices plus paisses et forme cylindrique, la seconde machine notre disposition tait une machine de tournage. Elle permet dusiner des pices de forme cylindriques par

enlvement de copeaux beaucoup plus facilement quavec le fraisage. Cette fois, cest la pice qui est fixe sur un support en rotation. Loutil de coupe est, lui, insr dans un support pouvant se dplacer en translation suivant un axe. La combinaison de ces deux mouvements permet dusiner des pices base cylindriques. Cette machine permet galement de

Schma d'un moteur de type Gamma

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raliser des perages dans la pice. Cest pourquoi elle est trs adapte pour raliser des pices telles que le cylindre dun petit moteur. On note aussi la prsence dune troisime machine que nous avons quelquefois utilise. Il sagit dune perceuse manuelle sur laquelle on peut installer des forets de la taille souhaite. Il suffit de fixer la pice percer dans un tau et de la placer en dessous du foret de la perceuse. Le perage de la pice se fait alors manuellement. Cette machine sert raliser les perages la main, car cela tait plus simple que de les programmer et les raliser par les machines programmables. En effet, les petits perages dun diamtre de lordre du millimtre sont difficiles raliser en fraisage, car nous ne possdons pas de fraise de cette taille. Paralllement, de nombreux forets de petites tailles sont disponibles sur cette perceuse.

2.2.2. Critres de choix du moteur

Lorsque nous avons cherch des plans pour raliser notre moteur, nous devions prendre en compte la faisabilit des pices. Il fallait donc des pices usinables avec les machines de tournage et fraisage que nous avions disposition, c'est--dire des pices de taille raisonnable. En effet, les machines que nous utilisions ne permettaient pas dusiner de pices dune trop grande taille ou dune paisseur trop importante. De plus, un petit moteur Stirling ncessite moins dnergie pour fonctionner quun gros moteur. Il nous paraissait donc vident quun moteur de petite taille tait le plus adapt notre projet. Le choix du type de moteur tait aussi un critre important. Comme on a pu le voir, il existe des moteurs Stirling de type alpha, beta et gamma. Un moteur alpha ou beta nous paraissait plus facilement ralisable quun moteur gamma. Cest pourquoi nous avons concentr nos recherches de plans sur un modle alpha ou gamma. Ensuite, il fallait choisir la matire dans laquelle usiner notre moteur. Laluminium ntant pas une matire trs chre, cest le matriau qui nous a paru idal. De plus, les machines notre disposition pour lusinage taient parfaitement adaptes pour usiner cette matire. Pour trouver les plans, nous avons navigu sur diffrents sites proposant une marche suivre pour construire un moteur Stirling. Nous avons chacun slectionn les plans qui nous intressaient et les avons compars. Le plan que nous avons slectionn est un moteur de type alpha de petite taille, conu pour tre usin principalement en aluminium. Il correspondait donc parfaitement nos critres. De plus, il comportait 27 pices diffrentes, ce qui ne nous a paru assez consquent, mais pas excessif quant la quantit de travail que cela implique. Enfin, le plan que nous avons slectionn avait dj t expriment par de nombreuses personnes qui avaient laiss des avis positifs sur Internet. Cest pourquoi il nous a paru assez fiable. Afin de nous assurer de la faisabilit de ces pices, nous les avons classes en trois groupes : fraisage, tournage, et pices toutes faites :

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Fraisage Tournage Pices toutes faites

Volant Bielle balancier Maneton

Entretoise balancier Balancier 2 Balancier Bielle piston Entretoise Fond dplaceur Support balancier Chemise Support essieu Bti

Bielle dplaceur Piston Tige dplaceur Dplaceur Cylindre dplaceur Cylindre Pied

Axe bielle tige dplaceur Axe balancier Axe balancier bielle Axe maneton

Essieu 1 Essieu 2 Roulement bille

2.2.3. Dessin des pices et cration des plans depuis SolidWorks

Avant de pouvoir usiner les pices, il nous est apparu indispensable de les dessiner sur ordinateur. Cela permet de vrifier la cohrence des plans et dobtenir des mises en plan des pices de bonne qualit. En effet, les plans que nous avions rcuprs restaient assez brouillons et nous ntions pas totalement srs de leur cohrence. Pour raliser les pices sur ordinateur, nous avons utilis le logiciel de CAO (Conception Assiste par Ordinateur) SolidWorks. Ce logiciel permet de dessiner les pices une par une, puis de les assembler afin dobtenir le montage souhait. Enfin, il est possible de raliser des mises en plan, c'est--dire dessiner les pices en 2D afin den obtenir les plans. Nous avons donc commenc par dessiner les pices une par une en 3 dimensions sur SolidWorks. Pour cela, le logiciel met note disposition de nombreux outils. Il permet de dessiner une esquisse, c'est--dire un dessin 2D de la forme de la pice. Puis, il est possible dextruder cette esquisse, ce qui permet de lui donner une paisseur et donc le rendre en trois dimensions. Enfin, on peut procder des enlvements de matires, pour par exemple ajouter un trou dans la pice. La combinaison de ces diffrentes fonctions permet thoriquement de dessiner toutes les pices. Ainsi, nous avons obtenu des rsultats comme celui-ci :

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Une fois toutes les pices dessines, il fallait procder leur assemblage. Pour cela, SolidWorks propose un systme de contraintes, qui permet de dfinir comment les pices doivent se positionner les unes par rapport aux autres. Aprs avoir mis sous contrainte toutes les pices, nous avons obtenu le rsultat suivant :

En ralisant cet assemblage, nous avons rellement pu comprendre comment le moteur fonctionnait et comment les liaisons taient ralises entre les diffrentes pices. De plus, lors de lassemblage, nous nous sommes aperus que certaines pices (notamment les entretoises balancier) ntaient pas correctement dimensionnes. Nous les avons donc modifies directement dans notre assemblage. Enfin, il ne restait plus qu raliser les mises en plan de chaque pice. Comme les pices taient dj dessines en 3D, le passage la mise en plan est trs rapide grce SolidWorks. Nous avons obtenu des rsultats comme ci-dessous :

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Cest directement partir de ces plans que nous avons usin les pices. Ltape de dessin sur ordinateur est donc indispensable afin de vrifier la cohrence des croquis initiaux et pour obtenir des plans clairs et propres. Toutes les mises en plan des pices usines ainsi que la nomenclature de celles-ci sont disponibles en annexe de ce dossier.

2.3. Programmation d'un usinage en tournage et fraisage

2.3.1.1. Programmation sur RealMil

La programmation sur RealMil nous permet de crer des pices en fraisage. En effet, pour usiner des pices non cylindrique car il est plus facile de les raliser en tournage.

La programmation s'effectue en plusieurs tapes chacune permettant d'obtenir une pice finale parfaitement usine. Tout d'abord, au lancement de l'application RealMil, l'utilisateur doit crer un nouveau projet en indiquant le numro du projet (numro qui serra utilis pour l'envoie vers la machine) ainsi que le nom de la pice usine en commentaire. Ces indications permettent aux utilisateurs de garder une trace des pices usines par d'autres, ils sont donc essentiels, c'est en quelque sorte la carte d'identit du programme.

Lorsqu'on lance le programme, divers choix se prsentent l'utilisateur en fonction de l'usinage dsir par ce dernier. Nous avons alors diffrentes catgories tel que surfaage, dessin de profil extrieur, intrieur.

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Toute programmation dbute par un surfaage. En effet, le brut dcoup n'est jamais parfaitement lisse en surface, des dfauts la surface de la pice peuvent rendre la pice inutilisable. Pour cette opration, on indique au programme l'paisseur de brut que l'on veut retirer de la surface. Aprs avoir rentr les valeurs concernant l'outil utilis (taille de la fraise, vitesse de rotation et passe) on prcise les valeurs de Z de dpart et d'arrive. On dfinit par la suite un brut pour pouvoir visualiser cette premire tape en faisant une simulation.

Le but du fraisage est de dessiner en quelques sortes une pice sur un brut. Ce dessin est ralis en profil: c'est la seconde tape de notre programmation. On dessine le profil de la pice en fonction du brut utilis. Cette tape est la plus complexe lors de la programmation d'un fraisage mais elle reste cependant assez facile. On commence, comme pour le surfaage, par indiquer les lments concernant l'outil utilis, on ajoute cependant de nouvelles information : la valeur de dpart de X et de Y qui correspondrons au prf. En effet, la machine fait correspondre les valeurs entres initialement pour X0 et Y0 aux prf. qu'elle a en mmoire. Pour raliser le dessin de la pice, un outil est la disposition de l'utilisateur lui permettant partir d'lments gomtriques (droites, cercles, tangentes, arcs ). Aprs avoir entr les diffrents points repres, on ralise le trac que devra suivre la machine pour usiner la pice. On valide une fois qu'on a fini le trac. On a rencontr au dbut de notre projet des erreurs assez frquemment cette tape de la ralisation : Il faut bien vrifier que le trac correspond un trac l'extrieur de la pice et non de son intrieur. De plus, il faut bien vrifier que le profil dessin est bien ferm. Une fois ces vrifications faites, on valide le profil. On lance alors une simulation pour vrifier si la pice est bien dessine. (Annexe 1)

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Une fois le profil complet dessin, il ne reste l'utilisateur qu' vrifier lors d'une simulation du programme complet que l'ensemble de ce dernier tourne convenablement et que la programmation est optimale (pas d'erreurs de collision notamment). Pour cela, il doit lancer une simulation en indiquant les dimensions du brut et la position des X et Y de dpart. Par ailleurs, en cas de dysfonctionnement, l'utilisateur peut modifier le programme en cas d'erreur directement sur la machine. Nous traiterons de cet aspect ultrieurement.

Avant de sauvegarder le fichier de la programmation, une dernire modification doit tre faite ou vrifie. Il faut bien vrifier que le programme est ralis en mode NUM (type de la machine qui usinera la pice et laquelle on envoie le programme). En effet, dans le cas o le programme envoy ne correspond pas au type de la machine, l'usinage ne se lance pas et l'envoie du fichier du PC vers la machine ne s'effectue pas.

2.3.1.2. Programmation sur RealTurn

Le tournage est le fait de faonner sur une machine-outil des pices cylindriques parfaitement lisse et de dimension exacte sur un tour. C'est l'outil qui avance sur la pice, on peut donc changer le diamtre extrieur, donner une forme conique, percer ou changer le diamtre intrieur. La principale diffrence entre le tournage est le fraisage rside dans le fait que la pice usine est cylindrique en tournage. On peut modifier sa guise la forme intrieure grce aux diffrents outils.

La programmation en tournage n'est pas bien diffrente de la programmation sur RealMil. En effet, dans la conception en elle-mme du programme tout est similaire mais seuls quelques points sont diffrents.

Lorsque le programme est lanc, il faut bien videment crer un nouveau projet en indiquant son numro et son commentaire. Par la suite, il faut choisir l'opration que l'on veut raliser sur le brut. Ainsi, plusieurs possibilits s'offre l'utilisateur.

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La plus grande diffrence entre RealMil et RealTurn rside dans la ralisation du profil. En effet, la machine fonctionne de la manire suivante : l'outil avance sur la pice et en dessine le contour ou l'intrieur. Cependant, il faut savoir qu' la diffrence du fraisage, dans le tournage, c'est la pice qui tourne et non l'outil. C'est pour cela que lors de la ralisation du profil, il suffit de dessiner le demi-profil suprieur pour avoir la pice entire. En effet, les pices usine en tournage sont forcment symtrique (Annexe 2).

Quelques vrifications doivent tre faites avant d'envoyer le fichier vers la machine. Tout d'abord, lors de toute ralisation (dressage, chariotage ou perage par exemple) la rotation de la pice dois concorder avec le sens selon lequel est mis l'outil, car si la pice tourne dans le mauvais sens, l'outil risque trs probablement d'tre endommag. Les autres vrifications restent les mmes que sur RealMil, c'est dire que l'utilisateur doit vrifi comme dcrit prcdemment que le programme est optimal par le biais d'une simulation, que le fichier est en mode NUM et qu'il n'y a aucune erreur de collision.

Une fois toutes ces vrifications faites, nous pouvons sauvegarder le fichier.

2.3.1.3. Envoi du programme vers la machine

Une fois le programme sauvegard, l'envoie du fichier vers la machine est effectu. Pour cela, l'utilisateur doit cliquer partir de l'interface utilise (RealMil ou RealTurn) sur modifier l'ISO . Cette opration ouvre alors une fentre affichant un ensemble d'opration que la machine traduira par elle mme. On sauvegarde alors le fichier sous le numro que l'on a choisit auparavant.

Aprs avoir quitt le fichier, on ouvre alors le programme CNCDISK qui est le programme de transfert de fichier entre PC-Machine mais aussi Machine-PC. On clique alors sur le bouton Pc-machine puis on slectionne l'emplacement pralablement choisis, le fichier que l'on veut envoyer la machine. On lance alors une rcupration de ruban sur la machine concerne pour pouvoir usiner la pice.

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Lorsque le programme est entirement charg, la machine lance alors l'usinage.

Certains problmes peuvent apparatre cette tape de la ralisation. En effet, lorsque le programme ne se charge pas en entier, plusieurs problmes peuvent en tre la cause.

Tout d'abord, il se peut que le fichier ne soit pas en mode NUM (vrification normalement dj effectue).Un autre problme peut aussi en tre la cause : le manque d'espace sur la machine. Dans ce cas l (cas dj rencontr), nous devions effacer un un les fichiers enregistrs sur la machine afin de librer de l'espace. Cette opration s'effectue partir de la machine. Enfin, dernier problme qui peut tre la cause de cet chec d'envoi : la machine et le pc ne sont pas connects entre eux ! Dans ce cas, BRANCHER LE CABLE !

Annexe 1

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Annexe 2

2.3.2. Les tapes de l'usinage:

Pour la ralisation de toutes les pices du moteur Stirling alpha on a utilis des brutes des pices qu'on prend avec des mensuration ce qui veux dire longueur, largeur, et diamtre pour les pices cylindrique plus grandes de celle qu'on a besoin pour les pices finies en aluminium sur lesquels on a effectuer des multiples oprations de tournage de fraisage et de perage avec une prcision qui peut aller au centime de millimtre.

Pour cela on a eu recours une fraiseuse commende numrique (REALMECA num 750), un tour commende numrique (REALMECA num 750) et d'un tour (REALMECA RT-5SP) celui de l'atelier du dpartement gnie mcanique et une perceuse manuelle.

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2.3.2.1. Mode opratoire des diffrentes machines-outils

La perceuse:

Le perage est l'opration la plus simple car aprs la ralisation du profil et les cotes voulues sur les pices, la fraiseuse marque les centres des trous avec les distances et le paralllisme souhaits.

Donc il suffit de:

1- Fixer le foret avec le bon diamtre.

2- Confondre la pointe du foret avec le centre du trou voulu.

3- mettre en marche la perceuse.

4-Descendre lentement afin de permettre aux copeaux de se dgager et de ne pas endommager le foret.

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Le Tour commande numrique

L'utilisation des machines-outils commende numriques est un peu complique vue que tout se fait avec des boutons comportant des symboles qu'il faux connatre et qu'il faut s'en rappeler chaque utilisation.

Diffrents outils sont utiliss:

Outil charioter: Cet outil permet de faire du chariotage, du dressage et de raliser des chanfreins.

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Outil alser: Cet outil permet de faire, partir d'un trou, de lalsage (cylindre ou cne).

Pour le tour on commence par monter le brut obligatoirement cylindrique sur le mandrin et bien le fixer.

Aprs cela il faut rgler les Prefs pour le tournage le calcul se fait que sur l'axe Z; l'axe de la hauteur du cylindre.

2.3.2.2. Comment rgler les Prefs?

1- On avance en mode manuel en utilisent les boutons Z+ et Z- du pupitre de la machine qui reprsente l'interface de communication de l'utilisateur et la machine-outil.

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2-Arrivant une distance qu'on peut mesurer. On mesure la distance sparant l'origine machine situ sur le fond de la tourelle qui contient les outils de la surface de la pice avec un pied coulisse. La position de point origine machine par rapport au point origine objet est affiche sur l'cran sous la forme Z+x, x en millimtre. On ajoute la valeur qu'on a mesure la valeur affiche

3- On appuie sur le bouton des Perfs et on entre la nouvelle valeur de Z puis on appuie sur LF qui reprsente le bouton OK de la machine.

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Exemple:

Si la machine affiche Z-90.33 et on mesure 34,01 la donne qu'il faut ajouter aprs avoir appuy sur le bouton des Pref est Z-124,34 puis LF.

Lancement du tour

Une fois les Prefs rgls la machine connat la situation de l'outil par rapport la pice usiner.

On charge le programme dans le tour, on le mets en mode continue et on dmarre le cycle. Sur la machine on dispose d'un potentiomtre avec lequel on peut contrler l'avance de l'outil et la vitesse d'excution du programme. Donc lors de l'usinage l'utilisateur doit surveiller l'avance de la machine et en cas de problme d'excution il n'a juste qu' remettre le potentiomtre zro et le machine s'arrte d'avancer.

Et les problmes ne sont pas gnralement dus un programme dfaillent puisque le programme est vrifi et simul chaque tape de sa cration en plus d'une simulation du programme complet et d'une revrification avant de l'envoyer la machine en utilisent le convertisseur.

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En cas de bugle bouton point d'exclamation se mets clignoter donc il faut faire une remise zro et relancer le programme.

Excution du programme

La machine excute les taches dans l'ordre auquel on les a places en utilisent les valeurs qu'on a entres donc les fautes d'excution sont surtout lis au calcul des Prefs. D'o l'intrt du surfaage qui outre le fait que la surface ronde de la pice va tre bien horizontale, cette tape nous permet aussi d'tre sures qu' partir de la nouvelle surface tous les travaux effectus sur les rayons, les gorges extrieures, les filetages etc. vont tre bien mis en place par rapport cette surface. C'est pour cela qu'on prvoie au paravent un brut assez long pour travailler dessus.

Fin de programme

A la fin du programme le tour s'arrte automatiquement et on peut enlever la pice du mandrin avec les cotes voulues.

La fraiseuse commande numrique.

L'utilisation de la fraiseuse est peu prt identique celle du tour la diffrence est le fait que la fraiseuse est utilise sur les surfaces planes et surtout le fait que l'outil est libre en translation et en rotation sur l'axe Z et la pice se dplace sur les deux autres axe contrairement au tour ou la pice n'est libre qu'en rotation sur un seul axe l'axe Z alors que l'outil lui se dplace sur deux axes Z et X.

PS: il existe une autre fraiseuse plus dveloppe ou l'outil a plus de degrs de libert dans l'atelier STPI, mais malheureusement celle-ci est en panne depuis un bon moment.

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Le plus de la fraiseuse:

La fraiseuse permet de dessiner des profils programms au par avant sur ordinateur avec le logiciel RealMil sur des plaques mtalliques ou en plastique avec des fraises de diffrents diamtres.

2.4. Montage du moteur Stirling

2.4.1. Mise au point

Nous voil donc avec 33 pices usines (cf. annexe pour liste) notre disposition pour assembler notre moteur Stirling type alpha. On remarquera ici que le laiton et l'acier ont t remplac par de l'aluminium. Le groupe et Mr LECOCQ avons considr que ces changements n'altreraient en rien les capacits des pices en question. Nos pices sont donc exclusivement en aluminium. Les matriaux a t choisie car il a un cot faible et est facile usin. En effet il a pour proprits physique d'tre un mtal mallable, ductile, lgers et malgr tout rsistant et se corrode trs peu. Avec ces proprits, l'aluminium est donc un bon mtal pour permettre les ajustements serr lors du montage de notre moteur. 2.4.2. Lajustement mcanique

Mis part les supports balancier, le cylindre, les supports essieux, le cylindre chauffant et le pied fixs par des vis, la plupart des autres pices (sauf la chemise et le dplaceur) sont mobile et seront donc fixes par ajustements mcanique.

2.4.2.1 Dfinitions

Un ajustement est l'assemblage d'une pice extrieur contenante (alsage) et d'une pice intrieur contenue complmentaire. Les pices femelles (alsage) et mle (arbre) ont la mme dimension nominal mais des tolrances diffrentes.

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2.4.2.2. Les diffrents types d'ajustement. Prrequis: Le diamtre de l'alsage compris entre Dmin et Dmax selon certaines conditions. Dmax: alsage maximal Dmin: alsage minimal Tolrance de l'alsage: Tal = Dmax -Dmin

Le diamtre de l'arbre est compris entre dmin et dmax selon les conditions. dmax: arbre maximal. dmin: arbre minimal. Tolrance de l'arbre: Tar = dmax -dmin.

Le jeu peut se dfinir comme Dalsage(t) darbre(t) . Si le jeu est ngatif il y a serrage. Le jeu est naturellement positif lorsque l'ajustement est glissant. Le jeu est maximum : Jmax = Dmax dmin. Le jeu est minimum : Jmin = Dmin dmax.

Il y a 3 types dajustement

avec jeu: pour toute pice contenant et toute pice contenue pris dans les deux populations, le contenant est plus grand que le contenu. C'est le cas recommand pour les guidages qui ne doivent pas coincer. (Dmin > dmax).

serr: pour toute pice contenant et toute pice contenue pris dans les deux populations, le contenant est plus petit que le contenu. Le contenant et le contenu sont donc bien fix l'un l'autre, on appelle a le frettage. Il est utilis pour les cas d'assemblages qui doivent transmettre des efforts. (Dmax < dmin).

avec jeu incertain: toutes les combinaisons n'aboutissent pas forcment un jeu de mme signe. Ce cas peut poser des soucis lors de l'assemblage la chane. (Dmin dmin).

Surface verte: Tal surface bleu: Tar

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2.4.2.3. Systme ISO d'ajustements

Pour avoir lajustement souhait selon l'emploi, il faut choisir le bon arbre et le bon alsage. Le travail de normalisation a abouti au systme ISO d'ajustements qui fournit alors un outil pratique de dcision qui prend en compte la dimension nominale et le tolrencement des deux pices et le type de montage envisag (cf. annexe). Le tout Pour une bonne tenue mcanique de l'ajustement.

Ci dessus les types d'arbres et d'alsage recommand en fonction de leurs emplois.

2.4.2.4. La technique d'ajustement serr

Cette est assez ancienne car les gaulois s'en servait pour fabriquer leur fameux tonneau. Il s'est principalement dvelopp l'industrie de ses 50 dernires annes. Ainsi il est principalement utilis pour

crer de deux pices une nouvelle pice trop complexe pour tre usine seule. crer une pice compose de deux parties de matires diffrentes crer une pice compose de deux parties de caractristiques ou d'utilisations

diffrentes

Il est ncessaire d'avoir une pice avec un alsage et un arbre de diamtre sensiblement suprieur.

Il y a 3 mthodes :

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par la force via la presse. On place ainsi dans la presse l'arbre en face de l'alsage de la pice. On actionne la presse qui par a force exerc va encastrer l'arbre dans l'alsage pice en question.

Par dilatation. On chauffe la pice als qui se dilate et augmentant son diamtre d'alsage. On a plus qu' insrer les 2 pices et refroidir temprature ambiant

Par contraction. De faon inverse on refroidit l'azote liquide l'arbre qui se contracte diminuant son diamtre. On insre les 2 pices et laisser revenir temprature ambiant.

On obtient alors un montage arbre/pice bien solidaris et ne peut tre dissoci sans dtrioration. A not que ces deux dernires mthodes s'appellent aussi le frettage

2.4.3. Assemblage du moteur Stirling faon IKEA

Pour notre assemblage de moteur, pour fixer les pices entre elles et tre immobile l'une par rapport l'autre sur un arbre tout en transmettant des efforts. Nos pices sont alors assembles en ajustement serr avec l'aide de la presse. Il faut souligner qu'une fois mont les pices ne peuvent tre dissoci sans dtrioration. Le montage force demande donc une grande attention car si l'ajustement serr est rat, les pices en question ne sont plus rutilisables et nous devrons les refabriquer.

Pour permettre nos essieux de notre moteur d'avoir une certaine mobilit en rotation et transmettre l'effort, ils sont coupls aux pices par des roulements. Pour ce qui est des pices en rotation autour des axes on tablit juste un ajustement avec jeu. Ces ajustements avec jeu devront tre bien lubrifis avec de l'huile pour viter que les pices se grippent et perdent en transmission d'effort.

Remarque : les dessins suivant on t dcompos pour vit les encombrements certaines pices peuvent tre sur plusieurs dessin.

a) tape 1 balancier

Pices concernes: 2 supports balancier, balancier 1, balancier 2, entretoise balancier, bielle balancier, bielle piston, axe balancier, axe balancier bielle, btie

- Tout d'abord, on fixe, sur 3 mm de la longueur les axes balancier bielle l'axe balancier sur 10mm de la longueur respectivement sur les 2 extrmits et au centre balancier 1 par ajustement serr.

- On enfile sur l'extrmit gauche la bielle piston et la bielle balancier sur l'autre extrmit avec un ajustement avec jeu pour avoir une mobilit autour de leurs axes.

- On emboite les entretoises balancier sur les deux derniers trous restant (cf. schma ci-contre)

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- Avec l'autre balancier on aligne les axes avec les balanciers et on les force la presse jusqu' ce qu'il ne reste plus que 2,5mm entre les deux balanciers et on visse les entretoises du balancier. On a notre systme de balancier coupl avec des bielles.

- Ensuite On fixe les supports balanciers sur les trous suprieur l'axe principale de notre systme balancier par ajustement avec jeu. On visse les supports balancier sur le btie (cf. schma).

b) tape 2 circuit air chaud/froid

Pices concernes: cylindre dplaceur, cylindre, chemise, dplaceur, tige dplaceur, piston, fond dplaceur, bielle piston, btie

- On scelle la presse le dplaceur et le fond du dplaceur par ajustement serr de faon hermtique. On visse Le dplaceur sur la partie filete de la tige du dplaceur.

- On intgre ce petit assemblage au cylindre (cf. schma) avec le dplaceur et sa tige qui ressort ses deux extrmits

- On recouvre le dplaceur avec le cylindre du dplaceur que l'on visse sur le cylindre principal

- On fixe par la suite la chemise du cylindre sur la partie suprieur par ajustement serr

- On place galement dans la chemise le piston avec un peu de jeu pour qu'il ait une

mobilit verticale.

- On rattache le piston la bielle piston, relie au systme balancier, avec un axe (ajustement serr aux extrmits du piston avec l'axe)

- On visse enfin notre cylindre au btie comme ci-contre.

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c) tape 3 circuit volant

Pices concernes: volant, essieu 1 et 2, 2 supports essieux, 2 manetons, bielle dplaceur, bielle balancier, tige dplaceur, axe maneton

- On encastre les roulements bille dans les supports essieux.

- On fixe par ajustement serr l'essieu 2 avec le volant et de mme on assemble sur l'autre extrmit, sur une longueur de 11,5mm un support essieu et un maneton (distance entre maneton et support 0,5mm)

- Pour l'essieu 1 on le rattache ses extrmits par le deuxime maneton d'un cot, par le deuxime support essieu de l'autre (0,5mm entre le maneton et le support)

- On visse ce mme support essieu au btie et on fixe sur le maneton par ajustement serr son axe maneton.

- On enfile la bielle du dplaceur et la bielle reli au circuit balancier dans l'axe du maneton avec du pour qu'elles aient une mobilit autour de l'axe.

- On relie la bielle du dplaceur au circuit air en l'attachant la tige du dplaceur avec un axe (ajustement serr aux extrmits de la bielle avec l'axe+ ajustement avec jeu pour la tige et l'axe).

- On fixe l'autre extrmit de l'axe du maneton au maneton coupl avec le volant et on visse le deuxime s support d'essieu au btie

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3. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

Conclusions personnelles :

Gatan :

Pour moi le projet a t trs enrichissant. D'une part, il m'a permis d'effectuer un travail en quipe ce qui est utile et apprciable car chaque membre de lquipe su apporter sa part de travail. D'autre part, ce projet nous a apport des comptences techniques notamment en modlisation, usinage et d'ordre organisationnel par la mme occasion. Or, mis part en CTI1, nous n'avons pas eu beaucoup de cours directement en rapport avec l'industrie d'o l'intrt que j'ai trouv au projet. Ce projet nous a donc permis d'accomplir un travail vraiment concret avec un rsultat physique la clef : un petit moteur. Il s'agit ainsi d'une exprience plutt originale et intressante Le seul point ngatif de ce projet, selon moi, est le temps d'investissement qu'il a requis. Nous avons en effet t confronts des nombreux problmes (pannes de machines, erreurs de programmations, temps d'attente pour accder aux machines parfois assez long, etc...) qui nous ont normment retards. Nous avons donc d effectuer pendant prs d'un mois des heures supplmentaires chaque jours pour palier ces contretemps. Mais le rsultat final que nous avons obtenu grce ce travail nous a sembl assez satisfaisant nos yeux. Pour ma part, je garde donc une impression trs positive de ce projet trs pratique.

Nelson :

Jai choisi ce sujet car travailler sur un moteur Stirling mintressait. De plus, ayant fait un BAC S Sciences de lingnieur, javais dj des bases dans lusinage des pices et je savais que cela mintressait. Lorsque nous avons eu la composition de notre groupe de travail, je me suis aperu que je ne connaissais aucun de mes collgues. Mais ceci ne sest absolument pas rvl gnant, puisque nous avons russi travailler collectivement trs rapidement.

Au dbut du projet, je pensais que construire de toute pice un moteur en aluminium tait une tche plus ou moins rapide. Seulement, au fur et mesure des sances, je me suis aperu que le travail raliser tait trs consquent, car il fallait la fois programmer lusinage des pices, tester le programme sur de la paraffine, du plastique, et enfin les usiner sur de laluminium, avec parfois des surprises lors de lassemblage des pices

En conclusion, ce projet sest rvl trs intressant car il ma permis de travailler avec des personnes que je ne connaissais pas, ce qui risque dtre trs frquent dans notre futur mtier dingnieur. Enfin, je me suis rendu compte que raliser un projet de cette envergure ncessite une relle mthodologie et que seul un travail collectif et intelligent permet dtre efficace.

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Maxime :

Ce projet a t pour moi trs instructif, dautant quil permet daborder pas mal daspects du travail de lingnieur, autant en cration, modlisation et construction, quen gestion dquipe et de projet. Le sujet trait, le moteur Stirling, est trs intressant et intriguant, de par sa faon de fonctionner, mais aussi par ses diffrentes formes (alpha, beta, gamma). Ce projet a ncessit beaucoup dinvestissement personnel, ce qui fut gratifiant quand le moteur fut termin. Lambiance dans le groupe de projet tait joyeuse

Thomas :

Pour ma part, ce projet de physique m'a beaucoup apport, tant au niveau des connaissances quau niveau relationnel avec mes camarades dans les conditions de travail.

J'ai, en effet choisit ce sujet de projet de ralisation de moteur Stirling type alpha car son fonctionnement se basant sur une simple diffrence de temprature m'intriguais beaucoup. Et bien que c'est un moteur qui se base sur des proprits physique simple, entre autre la dilatation de l'air, il est assez difficile, pour nous tudiants, de le concevoir. Mais finalement nous y sommes plus ou moins arriv (aprs beaucoup beaucoup d'heures sup) et cela m'a permis de dcouvrir un peu plus le monde de la mcanique et usinage avec l'utilisation des machine fraiser et tourner grce Mr LECOQ qui nous a initier leur utilisation. J'ai galement appris me servir de certain logiciel comme SolidWorks, RealMil et RealTurn. Mme si je souhaite intgrer le dpartement MRIE, ces connaissances en mcanique me seront bien utiles car un les tudiants sortant de l'INSA ont un diplme d'ingnieur gnraliste.

Au niveau du travail de groupe tout s'est bien pass, la cohsion a t parfaite mme face des difficults. En ce qui me concerne, cet apport du travail en commun est aussi important que le rsultat du projet. Ce projet nous permis de me donne un apriori de l'atmosphre de travail d'un ingnieur. De ce point de vue je trouve que ce projet de physique est dans la continuit du stage ouvrier et de bien d'autres projets dans l'avenir que ce soit l'INSA ou dans le monde professionnel.

Bilel :

Notre but en ce projet tait de raliser entirement un moteur Stirling de type alpha en aluminium.

mais d'un design diffrents des autres moteur alpha. Donc on tait oblig a raliser entirement toutes les pices de ce moteur une chose pas vidente quand on n'a jamais utiliser

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un logiciel de FAO ni une machine-outil commende numrique. On avait une quipe parfaite on se connaissaient tous plus au moins, et on se partageait bien les taches.

Chacun a mis de son temps et s'est investit fond surtout en fin du semestre quand le temps devient plus que prcieux. Le but a t atteint malgr la panne du tour de l'atelier des STPI. Heureusement M. Lecoq nous a donn un coup de pouce et nous a autoris d'utiliser celui des MEKA qui est d'ailleurs plus performant.

Concernant l'UV P6-3

Cette exprience est vraiment exceptionnelle. Nous a vraiment appris travailler en groupe et atteindre des objectifs dans des dates bien prcises. Les petits coups de stress et d'nervement s'oublient en voyant le travail avancer et les pices se mettre en place. j'ai appris pas mal de choses sur l'usinage commende numrique, sur le moteur Stirling lui mme.

Mon mot de la fin :

Je remercie M. Lecoq pour son effort et sa disponibilit en dehors des heures de cours habituelles et Je remercie toute l'quipe pour les bons moments qu'on a pass ensemble

4. BIBLIOGRAPHIE

Andr Chevalier, Guide du dessinateur industriel, Hachette, 2006.

www.moteurstirling.com/

fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_Stirling

www.moteur-stirling.com/

5. ANNEXES

5.1. Documentation technique

Table des ajustements (GDI Chevalier)

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5.2. Schmas de montages, plans de conception

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