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Université du Québec à Chicoutimi

MODULE D’INGÉNIERIE

GÉNIE MÉCANIQUE

6GIN333 PROJET DE CONCEPTION EN INGÉNIERIE

Rapport final

# Projet : ________2009-099_______________

CHÂSSIS DU ROBOT TERRESTRE POUR LA COMPÉTITION IGCV

Préparé par

MICHAUD FRANCOIS

LAROUCHE DANIEL

Pour

COMPÉTITION IGVC

UQAC

LE VENDREDI 30 AVRIL 2010

CONSEILLER : Mme. Marie-Isabelle Farinas, PhD Ing

COORDONNATEUR : Jacques Paradis, Ing

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Approbation du rapport d’étape pour diffusion

Nom du conseiller

Date

Signature

3

Remerciements

Les remerciements les plus importants sont dédiés à madame Farinas qui nous a fournis de précieux

conseils tout au long de la session. Elle était toujours disponible pour l’équipe. Les réunions

hebdomadaires que nous nous étions fixées au début de la session ont été bénéfiques pour le progrès et le

suivi de notre projet. Elle nous a aussi suggéré plusieurs aspects mécaniques importants que nous devions

calculer afin d’assurer un châssis de haute performance.

Nous aimerions également remercier monsieur Richard Martin qui est technicien en travaux pratiques à

l’UQAC. Il nous a fournit les renseignements nécessaires sur la matière électrique. Il nous a également

fourni les outils de mesures nécessaires durant la session.

Nos remerciements les plus sincères !

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1. Résumé___________________________________________ 1.1 But et nature du projet

Lors de la compétition IGVC (Intelligent Ground Vehicule Competition) plusieurs robots de

différentes universités s’affrontent dans une course à obstacles. Il est important que le robot

possède les caractéristiques mécaniques et électriques nécessaires afin de pouvoir aspirer à

l’évènement un jour. Aucun châssis n’avait été réalisé jusqu’à aujourd’hui. L’objectif était de

concevoir un châssis répondant aux exigences de la compétition IGVC afin d’y accueillir les

composantes électriques préalablement conçues par des étudiants de génie électrique. Voici

quelques contraintes qui devaient être respectées :

Respecter les règlements quant aux dimensions;

Assurer sa légèreté avec le choix du matériau;

Définir sa rigidité selon les forces appliquées;

S’assurer de sa stabilité;

Prouver que le système de propulsion est suffisamment puissant.

1.2 Principaux résultats

Un matériau à la fois malléable, résistant et léger a été choisi en l’aluminium 6061-T6 vu sa

disponibilité, sa facilité d’usinage et de soudage pour ensuite effectuer les études appropriées

menant aux objectifs. Après avoir choisis le matériau, il fallait faire la modélisation complète du

châssis sur logiciel 3D. Par la suite, des calculs théoriques ont été faits afin de vérifier la solidité

de notre châssis. Le centre de masse, les flux de cisaillement et les contraintes de Von mises ont

été analysés avec l’aide de simulation sur le logiciel. Le centre de masses se situe à environ 60

cm à partir de la gauche. À seulement 15 cm du centre géométrique, cette position certifie le

bonne emplacement du centre de masse. De plus, les études de forces démontrent des

déformations très petites de l’ordre de 0.0311 cm. Les analyses effectuées affirment que les

contraintes maximales en cisaillement ne dépassent pas 7 Mpa, ce qui est loin de la limite à la

rupture pour l’aluminium 6061-T6. Le choix des roues et des roulements à billes ont tous été

sélectionnés avec l’aide de site internet. Tous les éléments du châssis sont maintenant assemblé

sur logiciel, il répond désormais aux critères de solidité, de fiabilité ainsi que de stabilité.

1.3 Conclusion et recommandations

Comme nous sommes la première équipe de mécanique à travailler sur le projet, il est normal que le

travail mécanique sur le châssis du robot ne soit pas à point encore. Par exemple, une coque en fibre de

verre ou autre matériau pourrait améliorer le design et la solidité du robot. De plus, un système de

suspension pourrait peut-être améliorer les résultats sur le parcours du robot. Ce sont tous des projets

mécaniques qui devront être envisagé dans le futur afin d’optimiser les qualités mécaniques du robot

IGVC de l’UQAC. La conception complète du châssis sur SolidWorks est complétée et les plans de

fabrications et d’assemblages sont achevés avec succès. Les objectifs fixés au début du projet ont donc été

respectés et accomplis.

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Table des matières

Remerciements ............................................................................................................................................. 3

Résumé .......................................................................................................................................................... 4

I Introduction ................................................................................................................................................. 7

II Présentation du projet ............................................................................................................................... 8

2.1 Description de l’équipe de travail......................................................................................................... 8

2.2 Problèmatique ...................................................................................................................................... 8

2.3 Objectifs du projet .............................................................................................................................. 8

III Aspects techniques et éléments de conception ....................................................................................... 9

3.1 Dimensions ........................................................................................................................................... 9

3.2 Matériaux ............................................................................................................................................. 9

3.3 Modélisation ..................................................................................................................................... 10

3.4 Choix des roues .................................................................................................................................. 14

3.5 Soudures ............................................................................................................................................ 15

3.6 Études ................................................................................................................................................. 18

3.7 Roulements à billes .......................................................................................................................... 21

3.8 Calculs de centre de masse ................................................................................................................ 22

3.9 Calculs de puissance des moteurs...................................................................................................... 23

3.10 Estimation des coûts ......................................................................................................................... 24

IV Bilan des activités .................................................................................................................................... 28

4.1 Arrimage de formation pratique/universitaire .................................................................................. 28

4.2 Travail d’équipe .................................................................................................................................. 29

4.3 Respect de l’échéancier ...................................................................................................................... 30

4.4 Analyse et discussion ......................................................................................................................... 32

V Conclusion ................................................................................................................................................ 33

Bibliographie .............................................................................................................................................. 34

Annexes .............................................................................................................................................. 35

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Tableaux et figures

Figure 1 - Tube carré aluminium ................................................................................................................... 9

Figure 2 – Esquisse 3D du début châssis ..................................................................................................... 10

Figure 3 – Construction soudée du début châssis ....................................................................................... 10

Figure 4 – Plaque arrière du robot .............................................................................................................. 11

Figure 5 – Châssis avec plaque de support ................................................................................................. 12

Figure 6 – Roues avant et arrière ................................................................................................................ 12

Figure 7 – Support pour bloc de 9.07 kg ..................................................................................................... 13

Figure 8 – Châssis du robot IGVC final ........................................................................................................ 14

Figure 9 – Roue pivotante ........................................................................................................................... 15

Figure 10 – Contraintes Von Mises ............................................................................................................ 18

Figure 11 – Contraintes Von Mises plaques et essieu ................................................................................. 19

Figure 12 – Contraintes en cisaillement ..................................................................................................... 19

Figure 13 – Tracé des forces en cisaillement ............................................................................................. 20

Figure 14 – Centre de masse du châssis ...................................................................................................... 22

Figure 15 – Schéma de Gantt ...................................................................................................................... 30

Tableau 1 – Traitement thermique de l’aluminium 6061-T6 ...................................................................... 17

Tableau 2 – Liste des charges ...................................................................................................................... 18

Tableau 3 – Accélération du moteur ........................................................................................................... 23

Tableau 4 – Tubulaire carré ......................................................................................................................... 25

Tableau 5 – Tubulaire circulaire .................................................................................................................. 25

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2. Introduction

2.1 Historique et sujet

Tous les ans, un concours de robot intelligent a lieu dans différentes universités des États-

Unis. Cette année, la compétition a lieu sur le site de l’université d’Oakland dans la ville de

Rochester (New York). L’UQAC a décidé d’entreprendre des démarches afin de participer à la

compétition un jour. Il suffit donc de créer un robot qui répondra aux exigences de la compétition

sur les aspects électriques et mécaniques. Il est certes que le robot ne pourra pas participer à la

compétition dès cet été, mais l’équipe se donne comme but de participer à l’évènement dans un

avenir rapproché.

Cette compétition exige des règlements stricts à suivre. Le robot doit avoir une vitesse maximale

pour des questions de sécurité. De plus, l’automate doit avoir des dimensions à respecter. La

longueur, la largeur et la hauteur du robot doivent respecter les règles de la compétition. De plus,

le robot doit être complètement autonome, c'est-à-dire qu’il doit se déplacer sans aucune

télécommande ou manette (sans pilote). Le terrain sur lequel le robot se déplace est soit herbeux

ou caillouteux. Le parcours contient des obstacles physiques que le robot doit contourner grâce

au guidage électronique. Une équipe de génie électrique a donc entreprit le travail. Ils ont réalisé

la conception d’un système électrique qui fait avancer le robot et éviter les objets sur son chemin.

Une caméra optique sélectionnée par l’équipe d’électrique permet au robot de localiser ces

obstacles. Une batterie fournit la tension nécessaire afin d’alimenter le système de propulsion.

2.2 Description de l’équipe de travail

L’équipe de la conception du robot terrestre de ce projet est composée de deux étudiants en génie

mécanique suivant leur formation à l’Université du Québec à Chicoutimi. Ceux-ci sont monsieur

Daniel Larouche et monsieur François Michaud. Pour ce qui est de la supervision, elle a été

assurée par madame Marie-Isabelle Farinas professeure et ingénieure en génie mécanique à

l’UQAC.

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2.3 Les objectifs

Les objectifs du projet n’ont pas changés depuis le début de la session comme le prouve le plan

de travail remis en début de session. L’objectif principal était d’avoir terminé les plans de

fabrication pour pouvoir construire le robot. Il fallait donc avoir terminé la conception complète

du châssis afin de pouvoir remettre les plans. Ces plans devaient être clairs et bien présentés de

manière à ce qu’il n’y aille aucun problème de compréhension pour le fabriquant. Ceux-ci

démontreront le travail accompli et terminé par l’équipe.

2.4 Revue de la documention pertinente

SHIGLEY’s MECHANICAL ENGINEERING DESIGN

Copyright in 2008 by The McGraw-Hill Compagnies Bourbonnais, page 458-550

Le livre contient des informations très pertinentes. La matière importante sur le design

des pièces mécaniques y est toute expliquée. Les différents types de roulement y sont aussi très

bien démontrés. La longueur de vie d’un roulement selon la charge appliquée (charge axiale ou

radial). Ce livre explique aussi les méthodes importantes pour concevoir un cordon de soudure

sécuritaire et pratique à la situation. Bref ce bouquin est un outil indispensable pour le design

mécanique d’un châssis.

ROBOT TERRESTE POUR LA COMPETITION IGVC

UQAC – Bibliothèque, pages 11-15

Ce rapport a été rédigé par l’équipe d’électrique qui a travaillé sur le projet. Il est très

utile puisqu’il propose des informations importantes au projet IGVC. On peut y retrouver toute

les caractéristiques de chacune des composantes comme la puissance des moteurs, le type

d’engrenage utilisé et le dimensionnement des roues. Toutes ces informations sont très

pertinentes pour l’équipe. Ils sont primordiaux pour la conception du châssis. Toutes ces

informations bibliographiques sont nécessaires afin de remettre un produit final de qualité

exemplaire.

CONCEPTION DU CHÂSSIS DE LA FORMULE SAE

UQAC – Bibliothèque (Rapport final), pages 10-20

9

Ce rapport indique quelques calculs intéressants sur un châssis de voiture de course. Ce

document aide à mieux comprendre l’analyse des forces à différent endroit sur un châssis.

2.5 Méthodologie et démarche

Toutes les mesures du robot présent ont été prises afin de bien connaître les dimensions du robot

(annexe 1). Il est important de noter toutes ces données puisqu’ils seront utiles lors de la prise de

la conception du châssis sur le logiciel 3D. Ces dimensions ont été notées dans le livre de note de

l’équipe. Un exercice important a aussi été accompli avant de concevoir le châssis du robot

IGVC. Il s’agit d’un exercice sur tutoriel SolidWorks (construction soudées). C’est un

entraînement de deux heures environ pour les débutants en conception de structure avec soudure.

Cet exercice permet donc de mieux comprendre le logiciel et de se familiariser avec la

conception de châssis. Cela a été nécessaire pour le développement du projet sur ce logiciel. Les

calculs de ce projet sont importants pour la fiabilité du produit finale. Ceux des cordons de

soudure, des frottements de roulement à billes, des contraintes en cisaillement et du centre de

masse seront à effectuer.

2.6 Problématiques

Le châssis présent est soutenu d’une simple tôle mince d’aluminium (annexe 2). Ce châssis est

peu stable et peu résistant. L’équipe d’électrique a fabriqué ce support pour qu’ils puissent y

déposer leurs composantes électriques et faire quelques tests. Le robot a maintenant besoin d’un

châssis résistant, léger et stable. Un châssis qui permettra à la machine de répondre aux

exigences du parcourt IGVC (Intelligent Ground Vehicle Competition). Pour ce faire, l’équipe

doit concevoir cette partie mécanique avec l’aide du logiciel 3D (SolidWorks). Le châssis doit

être en mesure de soutenir le poids de la batterie qui est de 10.8 kg (23 lb) et le poids de 9.07 kg

(20 lb) exigé par la compétition et les circuits électriques sans aucune déformation ou bris.

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3. Aspects techniques et éléments de conception (corps

du rapport)

3.1 Cadre théorique et hypothèse

Les aspects physiques qui étaient important à respecter étaient la légèreté, la solidité et la

stabilité. Pour ce faire, quelques hypothèses de départ ont été suggérées. Celles d’utiliser 2 roues

pivotantes à l’arrière au lieu d’une seule. Utiliser un système de propulsion à chenille sur les

roues au lieu d’utiliser des moteurs électriques sur les roues avant. L’équipe avait aussi lancé

l’idée d’utiliser de tubulaire circulaire partout sur le châssis. Un système de suspension sur les

roues avant était aussi à envisager.

3.2 Dimensions

Le choix du châssis fut donc en tubulaire de section carrée de 2.54 cm (1 po) sur lequel

trois plaques de dimensions variées y sont soudées en tant que plancher. Les dimensions totales

du robot sont minimisées aux dimensions minimales exigées par les règlementations de la

compétition IGVC (annexe 3). Le robot possède donc une longueur de 91.44 cm (36 po) et une

largeur de 60.96 cm (24 po). Il possède également une hauteur d’environ 17 cm (43.2 po), ce qui

est bien inférieur à la limite géométrique de 182.88cm (72 po) exigée. Le choix des dimensions

minimales était en fait la principale contrainte à respecter puisque l’équipe de robotique IGVC

exigeait le dimensionnement minimal ainsi qu’un poids minimum, puisque les composantes

électriques et électroniques étaient préalablement conçues selon ce critère de poids minimum.

3.3 Choix du matériau

Le choix du type de châssis est en tubulaire de section carré de un pouce en aluminium

6061-T6. Ce matériau a donc été choisi en fonction de ses caractéristiques de soudage et

d’usinage qui sont suffisamment bonnes. De plus, l’aluminium 6061-T6 est très abordable et est

un métal relativement léger, critères importants lors de la sélection d’un matériau pour la

fabrication d’un châssis. Cela minimise son poids et son coût de fabrication. On peut trouver sa

fiche de propriétés complète et détaillée en annexe 8. Un modèle CAD (Computer-Aided

Design) a été modélisé de façon à réaliser les études appropriées pour valider et renforcer nos

expérimentations théoriques à partir de ce matériau. La section supérieure servant de mât à la

caméra est cependant en tubulaire de 1.27cm (0,5 po), soit le minimum disponible pour un tube

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rond d’alliage d’aluminium 6061-T6. La figure 1 montre une image du tubulaire carré et les

différentes sections disponible.

1 TUBE CARRÉ EN ALUMINIUM 6061-T6

(Coins ronds) Longueur en inventaire: 20 pieds Rigide et économique; bonnes propriétés de finissage et de soudage; utilisé pour applications structurales.

Épaisseur Poids

Dimension paroi par pied Pouces Pouces Livres

1x 1 .120 .474 11⁄4 x 11⁄4 .095 1 .579 11⁄2 x 11⁄2 .120 1 .732 23⁄4 x 23⁄ .120 1 .983

23⁄4 x 23⁄ .188 1.502 21⁄2 x 21⁄2 .120 1.320

3.4 Modélisation

3.4.1 Base du châssis

Tout d’abord, il fallait commencer par choisir la sorte de tubulaire qui allait être utile

pour le robot. Le tubulaire carré a été préféré au tubulaire circulaire vu sa faciliter à riveter. La

grosseur choisie du tubulaire carré est de 2.54 cm x 2.54 cm (1 po x 1 po). Cette taille est la plus

petite choisie pour s’assurer d’atteindre le poids le moins lourd possible tout en étant solide. Pour

faire la conception d’un châssis, une esquisse 3D est nécessaire (Figure 2). Lorsque la fonction

construction soudée est utilisée, le logiciel utilise une esquisse 3D comme base pour former la

structure. Cette esquisse est conçue pour accueillir les charges des composantes électroniques, de

la batterie et du bloc. Elle a été créée dans l’intention d’avoir une base solide tout en respectant

les dimensions fixées au départ. Après avoir construit l’esquisse en entier, le logiciel applique le

type et la grosseur du tube demandé avec l’aide de la fonction construction soudée (Figure 3).

1 Source : http://www.russelmetals.com/french/service/operations/canada/metaux.html

Figure 1 Tube carré aluminium

12

Figure 2 : Esquisse 3D du début châssis

Figure 3 : Construction soudée du début du châssis

Arrière du robot

Avant du robot

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3.4.2 Plaque arrière

Après avoir accompli ce travail, il fallait maintenant concevoir une plaque pour l’arrière du

robot. Cette plaque doit soutenir le poids de la batterie qui est d’environ 10.43 kg (23 lb). De

plus, les composantes électriques qui ont un poids d’environ 1.36 kg (3 lb) se retrouveront aussi

sur la plaque arrière. La résultante de ces forces est certes petite et c’est pour cette raison qu’une

épaisseur de 0.31cm (1/8 po) sera assez résistante. Les analyses de force prouveront la résistance

de la plaque. Un perçage avec coupe transversal prédéfinie est nécessaire afin de joindre le

support à batterie à cette plaque La taille et le type de perçage désirés sont possibles grâce à

SolidWorks. Cette plaque sera soudée sur le contour afin de fixer la plaque au châssis. La plaque

est représentée à la figure 4.

Figure 4 : Plaque arrière du robot

3.4.3 Plaques avant

Il y a au total quatre plaques qui sont placées dans la section avant. Deux seront situées à l’avant

du robot afin de supporter l’essieu, une au dessous supportant les moteurs et l’autre au dessus.

L’équipe a décidé de placer le poids de 9.07 kg (20 lb) à l’avant, sur la plaque supérieure. La

plaque qui soutiendra ce poids aura une épaisseur de 0.16 cm (1/16 po) afin d’assurer la solidité.

Les trois autres plaques auront une épaisseur de 0.16cm (1/16 po). Un aperçu du châssis avec les

plaques avant et arrière est affiché à la figure 5.

Perçage pour

support batterie

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Figure 5 : Châssis avec plaque de support

3.4.4 Roue et moteur

Il y a deux types de roues qui soutiennent le robot. Une paire de roue pivotante (annexe 7) et

deux roues fixées aux moteurs (Figure 6). Elles sont représentées grâce au programme 3D. Les

roues pivotantes ont été sélectionnées sur un site Internet2 qui contient beaucoup d’information

pertinente. Il est possible sur ce site d’affiner le choix de la roulette sur plusieurs aspects. La roue

peut être fixe ou pivotante, peut avoir des roulements à billes de précision, peut avoir une charge

maximale donnée et plusieurs autres coordonnées pertinentes peuvent être choisies par le client.

2 Source : www.tente.fr

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Figure 6 : Roues avant et roue arrière (pivotante)

3.4.5 Support

Le robot IGVC comporte deux supports, un pour le bloc de 9.07 kg (20 lb) et l’autre pour la

batterie. Il suffisait de calculer l’aire de la base de la batterie et du bloc pour définir les

dimensions de chacun des supports. La fonction ¨tôle plier¨ a été utilisée. Pour commencer un

simple carré de base est dessiné sur esquisse 2D. Par la suite, une extrusion de 0.3175cm (1/8 po)

est effectuée. Pour terminer, chaque côté de la plaque est plié selon la hauteur et l’épaisseur

désirées. Un exemple de support est illustré à la figure 7.

Figure 7 : Support pour le bloc de 9.07 kg (20 lb)

16

Maintenant que toutes les composantes mécaniques sont conçues, il ne suffit qu’à représenter le

gros bloc, la batterie et les tubulaires circulaires. Effectivement, des tubulaires circulaires sont

ajoutées à l’arrière du robot. Ceux-ci donnent une petite touche d’esthétique au robot tout en

servant de mât pour accueillir la caméra. Lors de la compétition, plusieurs points sont donnés

pour la beauté et l’originalité de la conception. L’équipe a donc décidé de rajouter ces tubulaires.

3.4.6 Produit final

La conception du châssis sur SolidWorks est maintenant terminée. Les roues, les supports, les

roulements à billes, les plaques et les tubulaires assurent la stabilité du robot. Les plans de

fabrication représentés en annexe 11 procureront à l’équipe IGVC un châssis fiable, durable et

solide. Le produit final est présenté à la figure 8.

Figure 8 : Châssis du robot IGVC final

Bloc de 9.07 kg

Tubulaire circulaire

Batterie

Tubulaire carré

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3.5 Choix des roues

Les roues avant qui sont présentement sur le robot IGVC respectent les caractéristiques

d’une bonne roue. Elles sont assez larges et contiennent une pression de 344 kPa ce qui s’avère

un bon choix pour assurer la propulsion. Le parcours de la compétition est fait d’un chemin

caillouteux et herbeux et c’est pour ces raisons que la sélection d’une bonne paire de roues est

primordiale. Le choix des pneus joue un rôle important sur la stabilité. Pour ce qui est de

l’appui arrière, il y a présentement une seule roulette pivotante. Après réflexion, l’équipe a

décidé de poser deux roues pivotantes plutôt qu’une. De ce fait, la stabilité du robot sera

augmentée lorsqu’il aura besoin de tourner rapidement. La roue pivotante présente est trop petite

et elle ne répond pas aux exigences mécaniques du concours. Les deux nouvelles roues ont été

magasinées sur un site Internet qui offre une multitude de choix. Pour les conditions de la

compétition, la roulette devait être résistante à l’usure puisqu’elle sera utilisée dans des

conditions parfois difficiles. L’équipe a donc choisis deux roulettes de qualités avec roue en

polyamide. Ce polymère est très résistant au solvant et il résiste à des températures extrêmes.

Cette roue possède aussi une bonne résistance à l’oxydation. Elle possède également un anneau

en mousse de polyuréthane pour absorber de petits chocs. C’est pour ces raisons que l’équipe à

décider d’opter pour ce genre de roue. De plus, les roulements ont été fabriqués avec haute

précision, ce qui limite sa résistance au mouvement. L’Annexe 7 contient les caractéristiques de

la roue pivotante.

3

3 Source : www.tente.com

Figure 9 : Roue pivotante

18

3.6 Soudure

3.6.1 Cordons de soudures

Les soudures constituent l’élément le plus important dans la réalisation de ce projet. En

effet, la résistance d’un matériau soudé se voit réduite considérablement à l’endroit où des

soudures sont effectués. On parle ici d’environ 60% de sa limite ultime en tension et 30% de sa

limite ultime en cisaillement. Selon le Code Des Structures Soudés en Aluminium [3] présentant

les normes ANSI pour les soudures en aluminium, les limites en tension et en cisaillement

présentées à la table 3.2 de la section 3.7.3.1 pour l’aluminium 6061-T6 sont de 165 MPa et de

94 MPa. Des calculs théoriques de flux de cisaillement ont donc été réalisés de façon à

déterminer des épaisseurs de cordons de soudure minimale pour éviter d’entraîner un bris de la

structure. L’équation (1) sert à déterminer l’épaisseur des cordons de soudures :

𝜏 =𝑞é𝑞

𝑡𝑒 (1)

Où τ = 30% de la limite ultime [MPa]

qéq= flux de cisaillement résultant [N/mm]

te= épaisseur du cordon de soudure [mm]

Le calcul a été effectué à l’endroit jugé le plus exposé aux forces (où un bris serait le plus

probable en cas de force majeure). Avec un flux de cisaillement résultant (comprenant les efforts

en torsion, tension, compression et flexion) de 57 N/mm, l’épaisseur théorique du cordon

minimal de soudure obtenu est d’environ 0,61 mm. On conclu donc que l’épaisseur de ces

cordons sont très peu élevés (faible force statique appliquée). Or aucune restriction minimale

pour les cordons de soudures n’est applicable dans ce cas, car le tout devrait être rigide avec des

cordons de dimensions standards. Nous recommandons des cordons d’environ 5-6 mm

minimalement pour demeurer dans le domaine respectable de la faisabilité et offrir à la fois un

excellent coefficient de sécurité (entre 8-10). Les tracés de contraintes et de forces en

cisaillement présenté en annexe 9 prouve la fiabilité de ce calcul. Force de 191 N max et

contrainte de 7 MPa max. La figure 10 démontre une soudure à angle ;

19

te

a

Figure 10 : Soudure à angle

te = épaisseur effective du cordon de soudure

a = côté adhérent de la soudure

3.6.2 Traitements thermiques

Afin d’éviter que la structure perde de sa résistance à la fois en tension et en cisaillement après

soudage, des procédures de traitement thermique sont proposées et peuvent être effectuées.

Toujours selon le Code Des Structures Soudés en Aluminium AINSI [3], la American Welding

Society propose des températures à respecter selon le temps d’exposition, tests vérifiés et fournis

par la compagnie Alcoa (annexe 4). Ces traitements thermiques s’effectuent soit localement (à la

torche) ou encore une fois la structure complètement soudées en l’insérant dans un four. Pour

l’aluminium 6061-T6, il est garanti dans la table 4.5 de la section 4.18.4 [3] que le matériau

reprend jusqu’à plus de 95% de sa résistance avant soudure. Les temps d’exposition pour cet

alliage sont présentés selon différentes températures dans le tableau 1.

Tableau 1 : Traitements Thermiques de l'aluminium 6061-T6

Aluminium 6061-T6

Température temps °F °C

800 427 Non recommandé

500 260 Non recommandé

450 232 5 min

425 218 15 min

400 204 30 min

375 191 1-2 h

350 177 8-10 h

20

3.6.3 Critères d’acceptation

Une partie importante des structures soudées est de s’assurer que les soudures soient conformes

de façon à garantir la solidité. Selon le code de soudure, plusieurs techniques d’inspection sont

proposées cependant étant limité en budget et matériel, tout en tenant compte qu’en aucune

situation la structure n’implique la vie humaine, une inspection visuelle suffirait. Il sera donc

notre mandat une fois le châssis assemblé de s’assurer que les soudures respectent les normes

selon les trois critères de la section 5.14.1 du code. [3]

1. La soudure ne doit présenter aucune fissure;

2. Une fusion approfondie doit exister entre toutes les couches de métal soudé ou entre le

métal soudé et le métal de base;

3. Les profils de soudure doivent être conformes avec la section 4.19 [3].

La section 4.19 du code [3] propose les formes de cordon de soudure désirables, acceptables et

inacceptables. Les cordons présentant une pénétration insuffisante, une convexité excessive, une

défaillance excessive, un chevauchement, un côté de section insuffisante et une fusion

incomplète sont interdits puisque la soudure n’a plus la même efficacité car son épaisseur active

(te) se trouve réduite. Elle est donc plus faible et il y a risque de rupture. Les différents profils de

soudure sont présentés en annexe 4.

3.7 Études et analyses du châssis

Grâce au modèle 3D du châssis, une étude réaliste a été effectuée afin de déterminer les

forces, les contraintes et les déplacements en présence sur le prototype une fois toutes les charges

appliquées. En effet, l’étude comprenait les éléments de force présents dans le tableau 2.

Tableau 2 : Liste des charges

Éléments Masse

(kg)

Force

(N)

Batterie 10.8 106

Poids de 20 lb 9.07 90

Moteurs et autres 5 49

Gravité (9.81 m/s2) 10.2 100

Les appuis fixes se situaient alors aux endroits où les roues sont situées dans la réalité et le

maillage utilisé était très fin. Suite à l’analyse, les différents tracés de résultats ont été affichés de

21

façon à analyser convenablement le châssis. Premièrement, un tracé des contraintes de Von

Mises a permis une analyse rapide des contraintes présentes dans les plaques d’aluminium pour

confirmer la rigidité du châssis. Des résultats convaincants prouvent la fiabilité des plaques

choisies qui ont pu être réduite à certains endroits à 0.159 cm (1/16 po) au niveau de la plaque

arrière, les optimisant ainsi pour la légèreté. En effet, on obtient grâce à cette étude des

contraintes de loin inférieures aux limites permises, soit d’environ 12MPa, la limite élastique

pour l’aluminium 6061-T6 étant aux environs de 276MPa (voir Annexe 8). Cela confirme donc

qu’en présence des faibles charges appliquées sur le châssis, ce dernier est suffisamment rigide.

Il y a donc possibilité d’ajout de composantes électriques plus massives sans toutefois risquer la

rupture de l’une des plaques. Les tracés sont présents aux figures 11 et 12 qui suivent. On les

retrouve plus détaillées en annexe 9.

Figure 10 : Contraintes de Von Mises vue de dessus (a) et vue de dessous (b)

Figure 11 : Contraintes Von Mises des plaques traversées par l'essieu (roulements)

a b

22

Par la suite, une analyse semblable fut tracée concernant cette fois les cas les plus défavorables

en cisaillement. Les résultats, encore une fois, prouvent que le modèle est suffisamment rigide.

Le maximum étant atteint à l’endroit escompté au départ où les calculs de cordons de soudures

furent réalisés. Ces contraintes en cisaillement atteignent environ de 7 MPa, relativement faible

en comparaison avec la valeur maximale de résistance en cisaillement permise au niveau des

soudures sans traitement thermique (30% de la limite ultime) de 93 MPa. Le tracé est illustré à la

figure13.

Figure 12 Contraintes en cisaillement

Contrainte MAX en cisaillement (7,3 MPa)

23

D’autres tracés ont également été utiles dont ceux du coefficient de sécurité, de déformation du

châssis ainsi que des forces de cisaillement sur les tubes d’aluminium. Ils affichent des

coefficients de sécurité plus que suffisamment élevés ainsi que de très légères déformations

atteignant au maximum des fractions de millimètre. Un tracé exagérant les déformations

d’environ 10 fois est également présent puisqu’à échelle réelle les déformations n’étaient pas

perceptibles sur le modèle compte tenu de leur faible amplitude. Finalement, les tracés de force

de cisaillement (Figure 14) permettent un aperçu de la distribution des forces de cisaillement

présent sur les tubes constituant le robot. Elles sont présentées selon deux directions z-x et z-y.

En plus d’offrir un aperçu de la distribution des forces dans les tubes, elles ont également été très

utiles à titre de comparaison avec les forces utilisées pour les calculs théoriques de cordons de

soudure. On peut donc confirmer les calculs théoriques puisque les valeurs des forces sont très

semblables.

Tableau 3 : Force en cisaillement

Valeur théorique (N) Valeur du logiciel (N)

200 191

Figure 14 : Tracé des forces en cisaillement

Force de cisaillement

MAX de 191 N

24

3.8 Roulements à billes

Les roulements à billes sont des composantes indispensables quant l’élimination de la friction

devient un facteur important. Pour assurer une telle progression de l’essieu entre le châssis et la

roue, un roulement à billes a donc dû être sélectionné de façon à éliminer le plus possible la

friction. Un paramètre technique important à considérer dans sa sélection était la force statique

maximale permise pour un diamètre intérieur correspondant à celui de l’essieu. Ce diamètre est

de 9 mm et la charge appliquée calculée était de 166 N. Cette valeur a été déterminée sur le

modèle à l’étude sur Soliworks grâce à la fonction force résultantes. Lors de la sélection, il fallait

considérer que le robot évoluerait dans un environnement où l’eau, la poussière, le sable et

d’autres particules pouvant gêner l’efficacité du roulement tel :

la corrosion;

la résistance au roulement;

la lubrification.

Nous avons donc choisi un roulement à billes scellé et lubrifié à l’huile de fabrication SKF

de diamètre intérieur de 9 mm dont la charge statique applicable est de maximum 1 660N. Un

calcul de la vie utile selon les vitesses de rotation et la force en présence dans ce système a donc

été nécessaire. La vitesse de rotation étant d’environ 168 rev/min et la charge de catalogue de

3,71 kN, la durée de vie a donc été trouvée grâce à la relation théorique 2 [1] qui suit.

𝐶10 = 𝐹𝐷 𝐿𝐷𝑛𝐷60

𝐿𝑅𝑛𝑅60

1/𝑎

(2)

Où C10 = charge de catalogue (kN)

FD = force appliquée (kN)

𝐿𝑅𝑛𝑅60 = 106 cycles (durée de vie selon norme SKF)

LD = Durée de vie désirée (h)

nD = Vitesse désirée (rad/min)

a = constante (3 roulements à billes, 10/3 roulements à rouleaux)

On trouve donc une durée de vie approximative de 1 107 483 cycles pour ces roulements

avant d’entraîner un bris, ce qui est plus que largement suffisant. Ils sont également scellés pour

éviter la corrosion, la saleté augmentant la résistance au roulement ainsi que les bris dû à toutes

sortes de contaminants provenant de l’environnement dans lequel opérera le robot. La fiche

technique du roulement à billes est présentée en annexe 6 avec les calculs développés.

25

3.9 Calcul du centre de masse

Lors de la conception d’un tel robot, il important de prendre compte de la position du centre de

masse. Celle-ci joue un grand rôle sur la stabilité du robot. Le centre de masse doit se situer près

du centre géométrique pour éviter des moments inutiles pouvant faire basculer le robot. En tant

qu’étudiant en ingénierie, il est de notre devoir de prévoir les résultats. Il importe d’interpréter

les résultats qu’affiche le logiciel. Le résultat du centre de masse est donc situé à environ 49.38

cm de l’arrière et le calcul est en annexe 10. L’équation 3 a été utilisée pour déterminer le centre

de masse.

𝐶𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒 = 𝑚𝐴 𝑥𝐴 + 𝑚𝐵 𝑥𝐵 + 𝑚𝐶 𝑥𝐶 + ⋯𝑚𝑛 𝑥𝑛

𝑚𝑎 + 𝑚𝐵 + 𝑚𝐶 + ⋯𝑚𝑛 (3)

Pour des principes de vérifications, l’équipe compare ses calculs de centre de masse avec

le logiciel. Il suffit d’appuyer sur la touche ¨propriété de masse¨ et le tour est joué. La figure 15

illustre la position du centre de masse.

Figure 15 : Centre de masse du châssis avec batterie et bloc

L’origine est située à 41,8 cm de l’extrémité gauche du robot. Le centre de masse est situé à

13,31 cm vers la droite de l’origine. Le centre de masse se situe donc à 55,11 cm de l’extrémité

gauche. Sur une longueur total de 91,44 cm, le centre de masse est donc placé a environ 10 cm

vers l’avant du centre géométrique. La batterie a été placée à cet endroit pour qu’elle soit à

Centre de masse

Origine

26

proximité des moteurs. Les fils électriques doivent être le plus courts possible afin d’éliminer la

résistance électrique dans les fils.

3.9 Calcul de puissance des moteurs

Il est intéressant de voir la puissance des moteurs qui pourrait améliorer la propulsion. Le terrain

de la compétition n’est pas toujours en ligne droite et il y a de faibles pentes d’environ 10%. Il

est donc important que les moteurs réagissent rapidement à cette dénivellation pour garder une

vitesse maximale. L’équation (4) sera utile;

𝑎𝑑𝑡 = 𝑑𝑉𝑉𝑓

𝑉𝑖

𝑡

0

(4)

Où Vf : Vitesse final (m/s)

Vi : Vitesse initial (m/s)

a : Accélération requise (m/s²)

t : Temps (s)

La vitesse maximale du robot prescrite par les règlements de la compétition est de 2,2 m/s. La

vitesse initiale est de zéro. La détermination de l’accélération est représentée dans le tableau

suivant :

Tableau 4 : Accélération du moteur

Vf (m/e) Temps (s) A (m/s²)

2,2 0,25 8,80

2,2 0,50 4,40

2,2 0,75 2,93

2,2 1,00 2,20

2,2 1,25 1,76

2,2 1,50 1,47

2,2 1,75 1,26

2,2 2,00 1,10

2,2 2,25 0,98

2,2 2,50 0,88

Tout dépendant de l’accélération choisie, la puissance des moteurs peut être trouvée avec la

formule (5) qui suit [6]:

27

𝑃 = 𝑚 𝑎𝑔 − 𝑠𝑖𝑛𝜃 + 𝑎 ∗ 𝑉𝑓 (5)

Où P : Puissance (w)

m : Masse du véhicule (kg)

ag : Accélération gravitationnelle (m/s²)

θ : Angle de la pente (degrés)

a : Accélération du robot (m/s²)

v : Vitesse du robot : (m/s)

Le poids du robot calculé par SolidWorks est d’environ 35 kg, l’angle des pentes du parcourt est

de 5,71°. L’accélération du robot choisi est d’environ 1,1 m/s².

𝑃 = 35 𝑘𝑔 ∗ 9,81 𝑚

𝑠2∗ sin( 5,71°) + 1,1

𝑚

𝑠2 ∗ 2,2

𝑚

𝑠

𝑃 =160 Watts pour les deux moteurs

Soit environ 0,11 HP pour chaque moteur. Présentement, les moteurs ont une puissance de 0,33

HP chaque. Ce qui démontre que les moteurs qui sont présentement sur le châssis sont assez

puissants.

3.10 Estimation des coûts

3.10.1 Les tubulaires

Les prix sont fournis par la compagnie Métaux Russel. Pour un tubulaire carré en aluminium

6061-T6 de 2,54 cm (1 po) de section et d’une longueur de 61 m le coût est 40 $. Le tableau 5

montre la longueur pour chaque numéro d’article des plans en annexe 11.

Tableau 5 : Tubulaire carré

No article Longueur

(cm)

A 62,9

B 48,84

C 14,78

D 9,55

E 14,78

F 7,16

Total 158,01

28

𝐶𝑜û𝑡 𝑡𝑢𝑏𝑢𝑙𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑟é =15,801 𝑚 ∗ 40 $

61 𝑚= 𝟏𝟎, 𝟑𝟔$

Pour un tubulaire circulaire de diamètre 1,27 cm (0,5 po) le coût est 0,065 $/cm.

Tableau 6 : Tubulaire circulaire

𝐶𝑜û𝑡 𝑑𝑢 𝑡𝑢𝑏𝑢𝑙𝑎𝑖𝑟𝑒 =240,69 𝑐𝑚 ∗ 0,065 $

𝑐𝑚= 𝟏𝟓, 𝟔𝟓 $

3.10.2 Les plaques

Les plans des plaques sont présentés en annexe 11.

Selon les prix de l’UQAC, les plaques d’une épaisseur de 0,3175 cm (0,125 po) coûtent

0,0281$/po². Calculons l’aire totale pour ces plaques :

𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 24 +5

8 𝑝𝑜 ∗ 30 +

3

4 𝑝𝑜 = 757,22 𝑝𝑜2

𝐶𝑜û𝑡 = 757,22 𝑝𝑜² ∗ 0,0281 $

𝑝𝑜²= 𝟐𝟏, 𝟐𝟖 $

Selon les prix de l’UQAC une plaque d’épaisseur 0,15875 cm (0,0625 po) coûte 0,0167 $/po².

Calculons l’aire totale de ces plaques :

𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 24 +3

8𝑝𝑜 ∗ 7 +

3

4 𝑝𝑜 + 2 ∗ 10 𝑝𝑜 ∗ 8 𝑝𝑜 + 24 +

3

4𝑝𝑜 ∗ 12 +

3

4𝑝𝑜

= 664,47 𝑝𝑜2

𝐶𝑜û𝑡 =664,47 𝑝𝑜² ∗ 0,0167 $

𝑝𝑜²= 𝟏𝟏, 𝟏𝟎 $

No article Longueur

(cm)

G 103,35

H 94,92

I 42,42

Total 240,69

29

3.10.3 Les supports

Les supports ont une épaisseur de 0,15875 cm (0,0625 po) en aluminium et coûtes 0.0167 $/po².

Support batterie :

𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 8 +1

8 𝑝𝑜 ∗ 10 +

5

8 𝑝𝑜 − 9.77 𝑝𝑜² = 76,56 𝑝𝑜²

Support bloc :

𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 10 +1

8 𝑝𝑜 ∗ 20 +

1

8 𝑝𝑜 − 4.52 𝑝𝑜² = 199,25 𝑝𝑜²

𝐶𝑜û𝑡 𝑑𝑒𝑠 𝑑𝑒𝑢𝑥 𝑠𝑢𝑝𝑝𝑜𝑟𝑡𝑠 = 76,56𝑝𝑜2 + 199,25𝑝𝑜2 ∗ 0,0167 $

𝑝𝑜² = 𝟒, 𝟔𝟏 $

3.10.4 Les roulements à billes

Après avoir consulté le catalogue4, le prix d’un roulement à billes de bonne qualité peut se

vendre au alentour de 5$. Le robot à besoin de deux roulements à billes pour un total de 10$

environ.

3.10.5 Roue pivotante

La roue pivotante sélectionnée coûte environ 60$. Pour deux roues le total est de 120$

3.10.6 Machiniste et soudeur

Selon l’expertise d’un soudeur, le temps estimé de la soudure est d’environ une journée.

Le taux horaire moyen d’un soudeur est de 60 $/h pour un total de 480 $. Le machiniste charge

lui aussi 60 $/h et le temps estimé est d’environ une journée aussi. Cela fait un total de 480$,

cependant il serait possible d’économiser ce montant puisqu’il y a un machiniste à l’UQAC qui

travail pour les étudiants.

Le prix total de la construction du robot serait de :

10,36$ + 15,65 $ + 21,28 $ + 11,10$ + 4,61$ + 120$ + 480$ + 480$ = 1143 $

4 Source : http://www.skf.com

30

4. Bilan des activités

4.1 Arrimage de formation pratique/universitaire

Tout d’abord, de nombreuses notions mécaniques ont été appliquées lors de la réalisation de ce

projet de conception. Des aspects de statique et de dynamique ont été traités afin de calculé le

centre de masse, la puissance des moteurs ou certaines forces ou moments lors des calculs de

soudures. Les aspects de résistance des matériaux et de conception assistée par ordinateur ont été

très utiles lors de la conception en général du châssis du robot terrestre IGVC. Les calculs pour la

sélection des roulements à billes, dont les notions ont été traitées dans le cadre du cours

d’éléments de machines, auraient sans doute été plus complexes sans cette formation. La

formation universitaire suivi jusqu’à maintenant constitue donc un élément important de la

réalisation de ce projet qui aurait été quasi-irréalisable sans toutes ces connaissances.

Ce projet a cependant permis à l’équipe de se familiariser avec certaines fonctions du

logiciel Solidworks qui étaient jusqu’ici inconnu, principalement la fonction de structures

soudées. Les soudures sont de plus un autre élément important à considérer. Le calcul du cordon

de soudure est donc une expérience qui s’ajoute aux connaissances acquises lors de la réalisation

de ce projet. La façon dont se comporte un matériau après une soudure de même que les

traitements thermiques éliminant en majeure partie les pertes de résistance au niveau des

soudures sont également une nouveauté rencontrée. Ce projet a également familiarisé les

membres de l’équipe aux propriétés de l’aluminium, la façon dont ce matériau se comporte une

fois soudé et les normes ANSI concernant les soudures de structure en aluminium. Des plans ont

également été réalisés fournissant une certaine expérience de réalisation de plan d’assemblage et

de soudage, une première pour les deux membres de l’équipe.

Finalement, la formation universitaire a été d’une grande aide pour concevoir le châssis

du robot en s’assurant que les objectifs initiaux soient remplis soit un châssis rigide, léger et

stable.

31

4.2 Travail d’équipe

Le travail en équipe s’est bien déroulé tout au long du projet. Les tâches ont toujours été réparties

équitablement entre les membres de l’équipe. Le sens des responsabilités de même que le

leadership sont des compétences qui ont été beaucoup développés au cours de ce projet. De plus,

une très bonne relation professionnelle a été entretenue avec la conseillère chargée d’épauler les

membres de l’équipe tout au long du projet. Un suivi continuel a été maintenu tout au long de la

session et aucune difficulté majeure n’a été rencontrée par l’équipe. Une approche qui simulait de

près celle que vivent les gens en entreprise a été vécue et celle-ci sera bénéfique dans de futurs

emplois.

Les plus grandes contraintes rencontrées par les membres de l’équipe furent tout simplement les

notions de soudures qui étaient purement inconnu. Une formation en ligne du logiciel Solidworks

fut suivie par les deux membres de l’équipe de façon à développer une aisance à modéliser des

structures soudés ainsi qu’à les analyser. Par la suite, une grande recherche bibliographique a

permis de cibler de bonnes références, dont certaines étaient déjà en notre possession, de façon à

rassembler le plus d’informations possibles concernant les structures mécano-soudées. Les normes

applicables et les calculs appropriés ont été ciblés, étudiés et réalisés de façon à bien répondre à

cette difficulté rencontrée.

Le rôle des membres de l’équipe a bien été divisé. Les deux membres ont d’abord participé à

l’élaboration des tâches à accomplir, aux prises de décision ainsi qu’aux recherches permettant

l’atteinte des objectifs. Du côté technique, François s’est chargé en majeure partie de la conception

du châssis (tubes soudés), des différents calculs et normes de soudures, de l’analyse Solidworks du

modèle et du calcul des roulements à billes. Daniel quant à lui a réalisé les différentes plaques, les

supports et a également modélisé les autres composantes pour renchérir le modèle 3D. Il a

également fait les calculs de stabilités du châssis et les calculs de puissance des moteurs. Les

aspects techniques de l’un étaient toujours suivis activement par l’autre de façon à ce que les idées

et les expertises des deux soient présentes à tout moment. Les plans de même que les rapports ont

été rédigés équitablement par les deux coéquipiers.

En somme, le travail d’équipe fut fait à la perfection et une belle ambiance de travail fut toujours

maintenue. La réussite des objectifs en prouve d’ailleurs l’intégrité.

32

4.3 Respect de l’échéancier

Figure 13 : Schéma de Gantt

33

L’échéancier de la figure 16 fut respecté durant la session et aucun ajustement majeur ne fut

apporté. Pour illustrer les étapes importantes (en vert foncé) effectuées lors du projet, elles ont

été décomposées en tâches distinctes qui ont été réalisées au cours de la session.

1. PREMIÈRE APPROCHE (18 janvier au 20 janvier 2010)

Rencontre avec les membres de l’équipe IGVC dont son président;

Rencontre des équipes ayant participés à la conception des projets électriques;

Lecture des règlementations de la compétition IGVC.

2. CUEILLETTE D’INFORMATION GÉNÉRALE (25 janvier au 5 février 2010)

Recherches bibliographiques;

Prise des différentes mesures utiles à la réalisation du projet;

Hypothèses et autres recherches.

3. CONCEPTION CAO DU MODÈLE (8 février au 12 mars)

Formation Solidworks pour les structures mécano-soudées;

Conception de la structure du châssis et des différents éléments;

Assemblage final du châssis.

4. ÉTUDES RELATIVES AU MODÈLE (15 au 26 mars)

Calcul des cordons de soudures;

Études des contraintes de Von Mises, de cisaillements et de déformation du

modèle;

Calcul de la stabilité et du centre de masse;

Calcul de la puissance des moteurs;

Calcul des roulements à billes.

5. OPTIMISATION DU MODÈLE (29 mars au 7 avril)

Dernières modifications du modèle;

Étude de prix;

Réalisation des plans servant à fabriquer le châssis.

34

5. Discussions et interprétation des résultats

Les résultats obtenus lors de la réalisation de ce projet sont satisfaisants. Tout d’abord, lors de la

modélisation du robot à l’aide du logiciel 3D Solidworks, la masse était une contrainte à

respecter de façon à ce que le châssis soit le plus léger possible. Il fallait s’assurer que le robot

était à la fois rigide et stable en tenant compte des forces qui agissaient sur celui-ci. Les résultats

obtenus lors des analyses se comparaient avec les calculs théoriques que nous avions

préalablement réalisés. En effet, de faibles pourcentages d’erreur en ce qui à trait aux forces

agissant sur les cordons de soudures (4.5%) et l’endroit où se situe de centre de masse (10.4%)

confirme les résultats obtenus.

De plus, les études réalisées prouvent la rigidité de notre prototype. Les contraintes

maximales obtenues en cisaillement se situent autour de 7 MPa, ce qui est loin de la limite à la

rupture de l’aluminium. Les tracés de déformations et ceux des contraintes de Von Mises

montrent des résultats semblables, soit des déformations se situant dans les fractions de

millimètre et des contraintes de Von Mises aux alentours de 12 MPa. Ces résultats sont suffisants

pour confirmer la rigidité du robot. De plus, le facteur de sécurité étant minimalement de 8

prouve que le châssis est suffisamment solide. Les simulations en comparaison avec les quelques

calculs théoriques sont en réalité une excellente méthode employer par l’équipe qui a permis de

réaliser les plans d’assemblage. En effet, ils assurent, après leur interprétation, des résultats

favorisant la fabrication d’un modèle fiable. Après fabrication, le châssis répondra donc aux

critères de résistance des matériaux.

Pour avoir une première vue d’ensemble, les études du châssis ont été réalisées avec un

maillage grossier. Par la suite, des analyses avec maillage fin ont été nécessaires afin de pousser

à la limite les études du châssis. Les coûts de production du produit final sont étiquetés comme

faibles comparativement aux autres universités. Après discussion avec un membre important de

l’équipe IGVC (Michel Voyer), le budget de l’équipe IGVC de l’UQAC possède suffisamment

de fonds pour assurer la fabrication du châssis sans problème. Les plans, qui constituent le

produit final de notre travail, favoriseront la fabrication tout en respectant les objectifs fixés au

départ : un châssis léger, rigide et stable.

35

6. Conclusions et recommandations

Les hypothèses de départ ont tous été vérifiées. Le système de propulsion avec moteur électrique

a été gardé de plus, il y aura 2 roues pivotantes à l’arrière au lieu d’une seule. Le tubulaire choisi

est de section carrée et le matériau est l’aluminium 6061-T6. L’objectif principal de l’équipe était

compléter la conception du châssis sur logiciel 3D et de remettre des plans de constructions

concrets. Ceux-ci ont été réalisés avec l’aide de logiciel SolidWorks. Le châssis du robot IGVC

de l’UQAC peut maintenant être construit avec ces plans. Toutes les longueurs des tubulaires et

des plaques du châssis sont indiquées de même que les indications de perçage et de pliage pour

que le machiniste puisse accomplir sont travail sans problème.

Les résultats obtenus dans ce rapport prouvent la solidité et la légèreté du châssis. Le

matériau choisi, les contraintes de Von mises, le centre masse et les calculs relatifs aux soudures

sont démontrés. Tous les aspects mécaniques du châssis ont été conçus en respectant les objectifs

de départ (stable, léger et solide). Les analyses ont été poussées à leur limite complète. C'est-à-

dire que l’étude sur le châssis a été complétée sous tous ses aspects mécaniques importants. Il est

très encourageant de voir que les analyses assurent une stabilité fiable au futur robot IGVC de

l’UQAC. Il reste encore du travail à faire pour que le robot puisse compétitionner au grand

évènement. Que ce soit du coté électrique ou bien mécanique, le robot a besoin d’être travaillé

encore. L’équipe a cerné quelques aspects qui pourraient être l’objet de futur projet. La coque du

châssis serait à faire pour assurer le coté esthétique du robot. Il ne faut pas oublier qu’il y

beaucoup de points qui sont attribuer pour cette partie lors de la compétition. De plus, il serait

intéressant d’analyser les avantages d’avoir un système de suspension sur le robot. Cependant

est-ce vraiment utile d’installer un système de suspension sur un robot d’une masse d’environ 75

kg et d’une vitesse maximale de seulement 2.2 m/s ? Des études devront être réalisés afin de

vérifier la nécessité d’un tel système sur le châssis.

Les plans de construction maintenant complétés, il sera important de s’assurer de la

continuité du travail. C’est-à-dire qu’il faut que les plans de construction en annexes du rapport

soit présentés au soudeur et au machiniste dans un futur rapproché pour que les autres équipes

IGVC de l’UQAC puissent faire des analyses avec le nouveau châssis. C’est un suivi important

que l’équipe tient à faire !

36

Bibliographie

1. SHIGLEY’s MECHANICAL ENGINEERING DESIGN, Copyright in 2008 by The

McGraw-Hill Compagnies Bourbonnais, Page 458,550

2. BAZERGUI, André. RÉSISTANCE DES MATÉRIAUX, 3e edition, Les presses

internationals polytechniques, 2002, Montréal, 715 pages.

3. AMERICAN WELDING SOCIETY. STRUCTURAL WELDING CODE-

ALUMINIUM, 4th

Edition, Approved by American National Standards Institute,

February 6, 2003. Miami, 201 pages.

4. BRAESS, Hans-Hermann et SEIFFERT, Ulricht. HANDBOOK OF AUTOMOTIVE

ENGINEERING, SAE international, Warrendale, Pensylvania USA, p. 437-482.

5. IGVC, [en ligne] Adresse URL : http://www.igvc.org, Consulté le 15 janvier 2010.

6. MONTMINY, Steven TREMBLAY, Matthieu. ROBOT TERRESTE POUR LA

COMPETITION IGVC, UQAC – Bibliothèque (Rapport final), Pages 11-15

7. TENTE, [en ligne] Adresse URL : http://www.tente.com, Consulté le 12 février 2010.

8. SKF GROUP, [en ligne] Adresse URL : http://www.skf.com, Consulté le 5 avril 2010.

37

Annexes

ANNEXE 1

Mesures des composantes

Roues : 10’’ (diamètre)

3’’1/2 (épaisseur)

Hauteur du plancher : 4’’ (avant)

5’’ (arrière)

Batterie : 7’’ ½ x 5’’ x 6’’ ¼

Masse batterie = 10.8 kg (23.5 lbs)

Poids Batterie = 105.95 Newton

(toutes les composantes qui suivent on en moyenne 2’’ de hauteur)

Dissipateur de chaleur: 4’’ 1/8 x 3’’ ¾ (2 fois)

Ordinateur de contrôle de la caméra : 8’’ x 6’’

Plaque de contrôle des moteurs : 3’’ ¼ x 2’’ 3/8 (2 fois)

Plaque contrôlant le frein d’urgence : 4’’1/8 x 3’’1/8

Moteur : 2’’ (longeur)

1’’ ½ (diamètre)

Frein moteur : 5/8’’ (largeur)

2’’ ¼ (diamètre)

Gearbox : 1’’ ½ (diamètre)

1’’ 7/8 (longeur)

3/8 et ½ (plaquettes)

Plaque avec bearing : 1’’ 5/8

Caméra : 3’’3/4 x 1’’½

Antenne : 7’’ (hauteur)

½’’ (diamètre)

Bouton Urgence : 1’’ ¾ (diamètre de la tête)

1’’ (diamètre de la base)

½ ‘’ (hauteur)

1/8’’ (épaisseur de la tête)

38

ANNEXE 2 Robot actuel

Photo du robot actuel

39

ANNEXE 3

Réglementation

I.2 VEHICLE CONFIGURATION

The competition is designed for a small semi-rugged outdoor vehicle. Vehicle chassis can be fabricated from scratch or commercially bought. Entries must conform to the following specifications:

Design: Must be a ground vehicle (propelled by direct mechanical contact to the ground such as wheels, tracks, pods, etc or hovercraft).

Length: Minimum length three feet, maximum length seven feet.

Width: Minimum width two feet, maximum width five feet.

Height: Not to exceed 6 feet (excluding emergency stop antenna). Propulsion: Vehicle power must be generated onboard. Fuel storage or running of internal

combustion engines and fuel cells are not permitted in the team maintenance area (tent/building).

Speed: For safety, a maximum vehicle speed of five miles per hour (5 mph) will be enforced. All vehicles must be hardware governed not to exceed this maximum speed. No changes to maximum speed control hardware are allowed after the vehicle passes Qualification.

Mechanical E-stop location: The E-stop button must be a push to stop, red in color and a minimum of one inch in diameter. It must be easy to identify and activate safely, even if the vehicle is moving. It must be located in the center rear of vehicle at least two feet from ground, not to exceed four feet above ground. Vehicle E-stops must be hardware based and not controlled through software. Activating the E-Stop must bring the vehicle to a quick and complete stop.

Wireless E-Stop: The wireless E-Stop must be effective for a minimum of 50 feet. Vehicle E-stops must be hardware based and not controlled through software. Activating the E-Stop must bring the vehicle to a quick and complete stop. During the competition performance events (Autonomous Challenge and Navigation Challenge) the wireless E-stop will be held by the Judges.

Payload: Each vehicle will be required to carry a 20-pound payload. The shape and size is approximately that of an 18" x 8" x 8" cinder block. Refer to section I.3 Payload.

A priori Data: The intent is to compete without a priori or memorized data. Course position data should not be mapped/stored. This is difficult to enforce, each team is expected to comply with the intent. Both the Autonomous Challenge and Navigation Challenge courses will be changed after each heat and between runs to negate any memorization or course familiarization techniques.

I.3 PAYLOAD The payload must be securely mounted on the vehicle. If the payload falls off the vehicle during a run, the run will be terminated. The payload specifications are as follows: 18 inches long, 8 inches wide, 8 inches high and a weight of 20 pounds.

I.4 QUALIFICATION

All vehicles must pass Qualification to receive standard award money in the Design Competition and compete in the performance events (Autonomous Challenge and Navigation Challenge). To complete Qualification the vehicle must pass/perform the following eight criteria.

Length: The vehicle will be measured to ensure that it is over the minimum of three feet long and under the maximum of seven feet long.

Width: The vehicle will be measured to ensure that it is over the minimum of two feet wide and under the maximum of five feet wide.

40

Height: The vehicle will be measured to ensure that it does not to exceed six feet high; this excludes emergency stop antennas.

Mechanical E-stop: The mechanical E-stop will be checked for location to ensure it is located on the center rear of vehicle a minimum of two feet high and a maximum of four feet high and for functionality.

Wireless E-Stop: The wireless E-Stop will be checked to ensure that it is effective for a minimum of 50 feet. During the performance events the wireless E-stop will be held by the Judges.

Max Speed: The vehicle will have to drive at full speed over a prescribed distance where its speed will be determined. The vehicle must not exceed the maximum speed of five miles per hour. No change to maximum speed control hardware is allowed after qualification. If the vehicle completes a performance event at a speed faster then the one it passed Qualification at, that run will not be counted.

Lane Following: The vehicle must demonstrate that it can detect and follow lanes. Obstacle Avoidance: The vehicle must demonstrate that it can detect and avoid obstacles. Waypoint Navigation: Vehicle must prove it can find a path to a single 2 meter navigation

waypoint.

La réglementation complète peut être vue sur le site internet

http://www.igvc.org/rules.htm

41

ANNEXE 4

TRAITEMENT THERMIQUE ET PROFIL DE SOUDUR

42

ANNEXE 5

CALCULS DE CORDONS DE SOUDURE

Limite en tension aluminium (6061-T6) : Sy=276 Mpa

Limite ultime (aluminium 6061-T6) : Su = 310 Mpa

𝜏𝑚𝑎𝑥 ≤ 0.3 𝑆𝑢 = 𝟗𝟑 𝑴𝒑𝒂

(Calcul effectué sur une section jugé et affirmer par le modèle comme étant la région où les

efforts seront maximaux)

Py= 200N

b = 27,4 mm

d = b= 27,4 mm

Centroide :

𝑥 =𝑏

2= 13.7 𝑚𝑚

𝑦 =𝑑

2= 13.7 𝑚𝑚

Second moment unitaire :

𝐼𝑥𝑡 =

3𝑏𝑑2 + 𝑑3

6= 13 713.88 𝑚𝑚4/𝑚𝑚

1. Flux de cisaillement dû à Px et Py :

(𝑞𝑦)𝑝 =𝑃𝑦

𝐿

Où L = longueur du cordon de soudure

𝐿 = 2 𝑏 + 𝑑 = 109.6 𝑚𝑚

(𝑞𝑦)𝑝 =200 𝑁

109.6 𝑚𝑚= 𝟏. 𝟖𝟐 𝑵/𝒎𝒎

2. Flux de cisaillement dû à la torsion :

(Aucune torsion sur la section étudiée)

3. Flux de cisaillement dû au moment de flexion:

(𝑞𝑧)𝑀 =𝑀𝑥 𝑌

𝐼𝑥𝑡

+𝑀𝑦 𝑋

𝐼𝑦𝑡

Où Mx et My = moments de flexion respectifs

43

Ix/t et Iy/t = seconds moments unitaires respectifs

X et Y = bras leviers respectifs

𝑀𝑦 = 200𝑁 ∗ 142,6 𝑚𝑚 = 28 520 𝑁. 𝑚𝑚

(𝑞𝑧)𝑀 = 0 +28 520 𝑁. 𝑚𝑚 ∗ 27,4 𝑚𝑚

13 714 𝑚𝑚4/𝑚𝑚= 𝟓𝟔, 𝟗𝟖 𝑵/𝒎𝒎

4. Flux de cisaillement résultant :

𝑞é𝑞 = 𝑞𝑥 2 + 𝑞𝑦

2+ 𝑞𝑧

2 1/2

𝑞é𝑞 = 0 2 + 1.82 2 + 56.98 2 1/2 = 𝟓𝟕. 𝟎𝟏 𝑵/𝒎𝒎

𝜏 = 93 𝑀𝑃𝑎 =57.01 𝑀𝑃𝑎

𝑡𝑒

te minimale = 0.613 mm

a = te / 0.707= 0.897 mm

CONCLUSION : Épaisseur du cordon de soudure est très peu élevée (faible force statique

appliquée). Or aucune restriction minimale pour les cordons de soudures n’est applicable dans ce

cas car tout devrait être rigide avec des cordons de soudure standards. Nous recommandons des

cordons d’environ 5-6 mm minimum pour demeurer dans le domaine respectable et offrir un bon

coefficient de sécurité (environ 8-10).

t

e

a

44

ANNEXE 6

CALCULS DES ROULEMENTS À BILLES

La charge statique appliquée sur les roulements à billes situés à l’avant du robot est :

C0= 166 N

Le diamètre de l’essieu est quant à lui de :

d = 9 mm

En choisissant un roulement à billes dans le catalogue SKF de diamètre 9 mm scellé des deux

côtés, sa charge statique maximale applicable est de 1 660 N. Le roulement répond donc aux

critères recherché.

Durée de vie du roulement :

𝐶10 = 𝐹𝐷 𝐿𝐷𝑛𝐷60

𝐿𝑅𝑛𝑅60

1/𝑎

Où C10 = numéro de catalogue (kN)

FD = force appliquée (kN)

𝐿𝑅𝑛𝑅60 = 106 cycles (durée de vie selon norme SKF)

LD = Durée de vie désirée (h)

ND = Vitesse désirée (rad/min) (168 rad/min pour notre robot)

a = constante (=3 roulements à billes, =10/3 roulements à rouleaux)

3.71 = 0.166 𝐿𝐷(168)60

106

1/3

= 𝟏 𝟏𝟎𝟕 𝟒𝟖𝟑 𝒉

***fiche technique roulements à billes page suivante

45

46

ANNEXE 7

FICHE TECHNIQUE DES ROULETTES

47

48

ANNEXE 8

Aluminum 6061-T6; 6061-T651

Subcategory: 6000 Series Aluminum Alloy; Aluminum Alloy; Metal; Nonferrous Metal

Close Analogs:

Composition Notes: Aluminum content reported is calculated as remainder. Composition information provided by the Aluminum Association and is not for design.

Key Words: al6061, UNS A96061; ISO AlMg1SiCu; Aluminium 6061-T6, AD-33 (Russia); AA6061-T6; 6061T6, UNS A96061; ISO AlMg1SiCu; Aluminium 6061-T651, AD-33 (Russia); AA6061-T651

Component Wt. %

Al 95.8 - 98.6

Cr 0.04 - 0.35

Cu 0.15 - 0.4

Fe Max 0.7

Component Wt. %

Mg 0.8 - 1.2

Mn Max 0.15

Other, each Max 0.05

Other, total Max 0.15

Component Wt. %

Si 0.4 - 0.8

Ti Max 0.15

Zn Max 0.25

Material Notes: Information provided by Alcoa, Starmet and the references. General 6061 characteristics and uses: Excellent joining characteristics, good acceptance of applied coatings. Combines relatively high strength, good workability, and high resistance to corrosion; widely available. The T8 and T9 tempers offer better chipping characteristics over the T6 temper.

Applications: Aircraft fittings, camera lens mounts, couplings, marines fittings and hardware, electrical fittings and connectors, decorative or misc. hardware, hinge pins, magneto parts, brake pistons, hydraulic pistons, appliance fittings, valves and valve parts; bike frames.

Data points with the AA note have been provided by the Aluminum Association, Inc. and are NOT FOR DESIGN.

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Physical Properties Metric English Comments

Density 2.7 g/cc 0.0975 lb/in³ AA; Typical

Mechanical Properties

Hardness, Brinell 95 95 AA; Typical; 500 g load; 10 mm ball

Hardness, Knoop 120 120 Converted from Brinell Hardness

Value

Hardness, Rockwell A 40 40 Converted from Brinell Hardness

Value

Hardness, Rockwell B 60 60 Converted from Brinell Hardness

Value

Hardness, Vickers 107 107 Converted from Brinell Hardness

Value

Ultimate Tensile Strength 310 MPa 45000 psi AA; Typical

Tensile Yield Strength 276 MPa 40000 psi AA; Typical

Elongation at Break 12 % 12 % AA; Typical; 1/16 in. (1.6 mm)

Thickness

Elongation at Break 17 % 17 % AA; Typical; 1/2 in. (12.7 mm)

Diameter

Modulus of Elasticity 68.9 GPa 10000 ksi AA; Typical; Average of tension and

compression. Compression modulus is about 2% greater than tensile

modulus.

Notched Tensile Strength 324 MPa 47000 psi 2.5 cm width x 0.16 cm thick side-

notched specimen, Kt = 17.

Ultimate Bearing Strength 607 MPa 88000 psi Edge distance/pin diameter = 2.0

Bearing Yield Strength 386 MPa 56000 psi Edge distance/pin diameter = 2.0

Poisson's Ratio 0.33 0.33 Estimated from trends in similar Al

alloys.

Fatigue Strength 96.5 MPa 14000 psi AA; 500,000,000 cycles completely

reversed stress; RR Moore machine/specimen

Fracture Toughness 29 MPa-m½ 26.4 ksi-in½ KIC; TL orientation.

Machinability 50 % 50 % 0-100 Scale of Aluminum Alloys

Shear Modulus 26 GPa 3770 ksi Estimated from similar Al alloys.

Shear Strength 207 MPa 30000 psi AA; Typical

Electrical Properties

Electrical Resistivity 3.99e-006 ohm-cm 3.99e-006 ohm-cm AA; Typical at 68°F

50

Thermal Properties

CTE, linear 68°F 23.6 µm/m-°C 13.1 µin/in-°F AA; Typical; Average over 68-212°F

range.

CTE, linear 250°C 25.2 µm/m-°C 14 µin/in-°F Estimated from trends in similar Al

alloys. 20-300°C.

Specific Heat Capacity 0.896 J/g-°C 0.214 BTU/lb-°F

Thermal Conductivity 167 W/m-K 1160 BTU-in/hr-ft²-°F AA; Typical at 77°F

Melting Point 582 - 652 °C 1080 - 1205 °F AA; Typical range based on typical

composition for wrought products 1/4 inch thickness or greater; Eutectic

melting can be completely eliminated by homogenization.

Solidus 582 °C 1080 °F AA; Typical

Liquidus 652 °C 1205 °F AA; Typical

Processing Properties

Solution Temperature 529 °C 985 °F

Aging Temperature 160 °C 320 °F Rolled or drawn products; hold at

temperature for 18 hr

Aging Temperature 177 °C 350 °F Extrusions or forgings; hold at

temperature for 8 hr

51

ANNEXE 9 TRACÉ SOLIDWORKS

Contraintes en cisaillement selon le cas le plus défavorable

Déformations ESTRN

52

Forces de cisaillement de la structure soudée (vue de profile)

Forces de cisaillement (tubes à l’arrière du robot)

53

Forces de cisaillement (vue de face)

Force de cisaillement (vue isométrique)

54

Contraintes de Von Mises (vue de dessus)

Contraintes de Von Mises (vue de côté)

55

Contraintes de Von Mises (vue de dessous)

56

ANNEXE 10

Rouge : Représente le poids des tubulaires (du châssis), la flèche est située à 41.45cm à partir de la

gauche. (10.8 kg)

Mauve : Représente le poids de la batterie et est situé à 53.44cm à partir de la gauche (10.19 kg)

Bleu : Représente le poids du bloc et est situé à 74.6cm à partir de la gauche (9.07 kg)

Orange : Représente le poids des composantes électriques et des moteurs et est situé à 81.28cm à partir de

la gauche. (4.59 kg)

𝑪𝒆𝒏𝒕𝒓𝒆 𝒅𝒆 𝒎𝒂𝒔𝒔𝒆

=10.8𝑘𝑔 ∗ 10.81𝑐𝑚 + 10.19𝑘𝑔 ∗ 53.44𝑐𝑚 + 9.07𝑘𝑔 ∗ 74.6𝑐𝑚 + 4.59𝑘𝑔 ∗ 81.28𝑐𝑚

10.8𝑘𝑔 + 10.19𝑘𝑔 + 9.07𝑘𝑔 + 4.59𝑘𝑔= 49.38𝑐𝑚

1

0

.

8

K

g

1

0

.

1

9

K

g

9

.

0

7

K

g

4

.

5

9

K

g

57

ANNEXE 11

58

59

60

61

62

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65

66