Protect Forest IUT d’Aix en Provence
45 avenue des ribas avenue Gaston Berger
13770 Venelles 13625 Aix en Provence
Cedex 1
GOUMARRE Jean-Félix
TULLAT Samantha
Rapport de stage DUT 2ème année
Génie Mécanique et Productique
HIPPOMOBILE HYBRIDE
Date de soutenance : 26 Juin
Tuteur universitaire : M.LECHTEN
Tuteur industriel : M.LEJOSNE
2
Sommaire :
I. Rapport technique……………………………………………….…... P.3
1. Recherche des solutions existantes……………...……………. P.3
a. Les solutions électriques existantes
b. Les différents principes de transmission de puissance
2. Réalisation du cahier des charges…………………………... P.7
a. Fonctions globales
b. Le marché
c. Enoncé fonctionnel du besoin
3. Dimensionnement du moteur…………………………….… p.15
a. Détermination du couple
b. Choix du moteur
4. Dimensionnement du réducteur…………………………..… p.17
a. Détermination du rapport de réduction
b. Choix du réducteur
5. Dimensionnement de la transmission……………………..... p.18
a. Choix pignon-roue
b. Choix de la chaine
6. Liste des éléments à assembler…………………….……….. P.20
7. Liste des différents problèmes …………………………… P.21
8. Choix des montages effectués…………………….……..... P.22
9. Dimensionnement …………………...……………..….. P.24
10. Partie électrique…………………………………………….…. P.28
11. Etude supplémentaire……………………….………..…... P.31
II. Annexes……………………………………………………….…… P.33
3
- Voiture électrique : Ce système qui est très connut
car il est très ancien, ne m’a pas paru très
intéressant a étudié, car il s’agit seulement d’une
voiture classique avec un moteur électrique à la
place du moteur thermique. Le point important que
j’ai put relever, est le problème de l’encombrement
des batteries, leur poids, et le temps de charge.
- Vélo électrique : Ce système, m’a paru très intéressant,
car il s’agit exactement du principe que je voulais
appliquer. En effet le vélo électrique se recharge dans les
descentes, et aide le cycliste dans les montées suivant
l’effort mesuré sur les pédales. De plus j’avais put voir
pour la première fois le système de roue-moteur. Mais la
grande différence était l’échelle du système, qui était très
inférieur a celle voulu pour l’hippomobile.
I. Rapport technique
a. Recherche des solutions existantes
1. Les solutions électriques existantes
Pour commencer, mon tuteur de stage a voulu que je me renseigne sur tous les
systèmes hybrides existant, car selon lui les meilleures solutions, existe déjà. De plus si je ne
retiens pas forcement une solution déjà existante, ceci me donne des idées pour la suite de
l’étude. J’ai pour cela fait la liste des systèmes hybrides et électriques existants :
- Voiture électrique
- Vélo hybride (électrique)
- Scooter électrique
- Voiture hybride
- Golf kart
Les solutions trouvés étaient toutes très différentes, que se soient par la taille ou par la
technologie qu’elles utilisées. Il m’a fallut faire la liste des caractéristiques principales des
chaque systèmes.
4
- Scooter électrique : L’avantage du système du scooter
électrique est qu’il m’a permis de mieux visualiser le
système roue-moteur, car j’ai trouvé plus de
documentation a ce sujet. De plus l’échelle du système
de puissance se rapproche de l’échelle voulue.
- Voiture hybride : Le système, qui était
très certainement le plus compliqué étudié.
Il m’a permis de mieux se faire une idée
sur la difficulté de gérer la puissance du
système hybride en fonction de la
puissance du système existant et de la
puissance voulut.
- Golf kart : Le golf kart utilise une puissance
électrique très proche de celle envisagé, ainsi
qu’un système de contrôle de la puissance
intéressant.
2. Les différents principes de transmission de puissance
En plus des systèmes électriques existants, j’ai cherché différentes façons de contrôler
le couple transmis à la roue, de façon a être le plus précis possible avec le meilleur rendement.
J’avais vu grâce aux systèmes précédents la solution ‘tout électrique’. Mais j’ai eu l’idée de
passer par l’intermédiaire d’un système hydraulique, comme expliqué ci-après.
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Chaine du principe de fonctionnement du système hydraulique :
En pente positive :
En pente négative :
Avantages Inconvénients
Solution hydraulique Système connut et existant
Asservissement facile à gérer Trop d'interfaces
Encombrant
Solution tout électrique Facile à mettre en place Asservissement difficile pour un
étudiant en GMP
Dans la chaine de fonctionnement ci-dessus, les parties de la même couleur indique
qu’il s’agit du même élément, mais agissant dans le sens inverse de fonctionnement.
Après avoir fait des recherches sur les différents modules hydrauliques dont j’avais
besoin, je me suis aperçut qu’un système semblable existait déjà sur les engins de travaux
publique, et agricole.
Ce système permet une transmission de puissance progressive, et souple d’utilisation.
Mais bien que très intéressant sur les systèmes a forte puissance, il m’a paru beaucoup moins
intéressant au vu de la puissance, et des pertes dû aux différentes interfaces que cela implique.
Car il ne faut pas oublier que notre système doit utiliser le moins d’énergie possible car sinon
cela implique d’embarquer plus d’énergie électrique, ce qui augmente le poids du système. En
effet bien que le système utilise de l’hydraulique, l’énergie de départ reste l’électricité, et
comme dans tous les véhicules électriques il faut pouvoir stocker l’énergie dans les batteries
qui même avec la technologie actuelle, reste très lourdes.
J’ai pour ses raisons éliminé la solution hydraulique au profit de la solution en tout
électrique, faisant intervenir moins d’interfaces, et qui semble plus légère.
Moteur
Électrique
Pompe
Hydraulique
Limiteur
De pression
2 Moteurs
hydraulique
Roue
Roue 2 Pompes
hydraulique
Limiteur
De pression
Moteur
Hydraulique
Générateur
Électrique
6
Une fois la solution tout électrique choisie il m’a fallut choisir avec quel principe
j’installerais la solution. J’ai donc imaginé les schémas de principe suivants :
Solution 1 :
Le moteur est fixé soit sur le plateau, soit sur l’arbre fixe (voir les pièces dans les annexes).
Solution 2 :
Les moteurs sont fixés sur l’arbre fixe, près des moyeux des roues.
Avantages Inconvénients
Solution 1 couple égale sur les deux roues Pas de différentiel
beaucoup d'interfaces
Solution 2 Peu d'interfaces équilibrage du couple entre les roues
discret
Au vu du tableau précédent, j’ai choisit la solution 1 qui consiste à mettre un moteur
par roue, qui élimine le problème du différentiel, et évite le surnombre d’interfaces.
1 Moteur 1 Réducteur 1 Renvoi d’angle 2 systèmes chaines
2 Moteurs 2 Réducteurs 2 systèmes chaines
2 Cardant
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b. Réalisation du cahier des charges
Objectif : Assister le cheval, afin de soulager les efforts intenses dû au relief.
Dans quel but : réintroduire le cheval dans les collectivités, pour des fonctions comme le
ramassage scolaire, ramassage des ordures, visites touristiques.
Bête à corne :
A qui rend-t-il service ? Sur quoi agit-il ?
A qui sert le produit ?
- Au cheval.
Sur quoi agit-il ?
- Les roues de l’hippomobile.
Fonction globale :
- Assister l’effort du cheval.
Pourquoi le besoin existe-t-il ?
- Avec la crise et le prix du pétrole, certaine collectivité veulent réutilisées le cheval.
Qu’est-ce qui pourrait le faire disparaitre ?
- Manque de client.
- Un trop grand développement des énergies renouvelables pour les véhicules.
Système
électrique
Le Cheval Les roues
Aider à
tracter et à
freiner
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Diagramme pieuvre :
FP 1 : Assister l’effort du cheval.
FC 1 : Etre aux normes.
FC 2 : Résister a l’environnement extérieur.
FC 3 : Avoir un poids minimum.
FC 4 : S’adapter à l’espace prévu.
FC 5 : Prévoir un entretien facile.
FC 6 : Produire un minimum de bruit.
FC 7 : Etre discret.
FC 8 : Avoir un prix abordable.
Cheval Calèche
Système
électrique Normes
Poids
Encombrement
Bruit
Esthétique
Entretient
Environnement
Prix FC1
FC2
FC3
FC4 FC5
FP1
FC6
FC7
FC8
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Fonction Critères Niveau d’exigence Flexibilité
FP1 Tracter la calèche
Freiner la calèche
Ne pas endommager la calèche
Assistance de l’effort à 50% F0
FC1 Répondre aux normes de sécurité Code de la route F0
FC2 Résister à l’environnement
extérieur
Protection du système contre
toutes dégradations dues au
temps et aux chocs
F1
FC3 Poids Etre le plus léger possible F2
FC4 Volume S’adapter à un emplacement
réduit
F1
FC5 Maintenance Accès facile, peu fréquente,
facile à faire.
F2
FC6 Minimum de bruit Ne pas entendre le système F1
FC7 Etre discret Ne pas voir le système F1
FC8 Prix Le plus bas possible F1
FP1 FC1 FC2 FC3 FC4 FC5 FC6 FC7 FC8 Total %
FP1 2 3 3 3 3 3 3 3 23 16,0
FC1 2 3 3 3 3 3 3 3 23 16,0
FC2 1 1 2 2 3 3 3 3 18 12,5
FC3 1 1 2 3 2 3 3 2 17 11,8
FC4 1 1 2 1 1 2 3 2 13 9,0
FC5 1 1 1 2 3 2 3 2 15 10,4
FC6 1 1 1 1 2 2 2 2 12 8,3
FC7 1 1 1 1 1 1 2 3 11 7,6
FC8 1 1 1 2 2 2 2 1 12 8,3
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Le marché :
Nature de l’étude :
- Faire un kit électrique s’adaptant sur les hippomobiles standards, du marché actuel.
Aucun dispositif semblable n’existe sur le marché.
Quels sont les clients :
- Les collectivités voulant réutiliser la traction du cheval.
- Les particuliers pratiquants régulièrement l’attelage.
Autre débouchée pour le système :
- Le système peut servir de base à un système similaire s’adaptant sur les voitures.
Directives techniques :
Sur quoi agit-on ?
- Sur les roues de l’hippomobile.
Ou s’en sert-on ?
- Sur les routes, et chemins.
Quand l’utilise-t-on ?
- Dans les pentes.
Energie utilisé :
- Electrique.
Interdiction d’un principe ou d’une solution :
- Changer les roues.
- Mettre un moteur thermique.
- Ré-usiner les pièces d’origine de l’hippomobile.
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FP1 :
Aider le
cheval
Gérer le
système
Inverser les
polarités du
moteur
Détecter la
présence
d’un effort
Adapter
l’énergie
électrique
Donner et
acquérir des
informations
Inverseur
Dynamomètre
Contacteur
API
Agir sur les
roues
Transformer
l’énergie
Adapter
l’énergie
Transmettre
l’énergie
Moteur
Réducteur
Système de
chaîne
Alimenter
système Batteries
12
FC1 :
FC2 :
FC3 :
Avoir un
minimum de
poids
Choisir des
éléments
légers
Résister aux
chocs
Résister à
l’environnement
extérieur
Utiliser des
éléments
étanches
Utiliser des
matériaux
inoxydables
Résister à la
corrosion
Rendre
étanche le
système
Respecter les
normes de
sécurité en
vigueur
13
FC4 :
FC5 :
FC6 :
FC7 :
FC8 :
Doit rester
raisonnable
Etre discret Prévoir une
protection petite et
non voyante
Produire un
minimum
de bruit
Prévoir un
moteur
silencieux
Prévoir un
entretient
facile
Prévoir un
accès facile
au système
Respecter
l’encombrement
Se fixer sur
tout type de
calèche
S’adapter à
l’espace
prévu
S’adapter
aux essieux
courants
Prévoir un
système
compact
Réducteur
Pignon-Roue
Chaîne
Moteur
électrique
Contacteur
Inverseur
Batterie
Intensité
Manomètre API Dynamomètre
Position
Commandes
marche/arrêt
Acquérir et
mettre en forme
Traité Communiquer
Alimenter Distribuer Convertir Transmettre Rouler
Electricité
Cheval non
assisté
Cheval assisté
Chaîne d’information
Chaîne d’énergie
Niveau batterie
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1. Dimensionnement du moteur
Calcul
Je suis partie de l’hypothèse la suivante : une calèche sur une pente à 10°, roulant à 10
km/h et ayant un poids total, sans le poids du cheval et la charrette étant chargée au maximum
(6 personnes), égal à 1 tonne.
Grâce à cette formule : , j’ai pu déterminer la puissance totale à développer
pour aider le cheval à 100%.
= 981.14 𝑁
D’où:
Nous aidons le cheval à 75% donc la puissance total est de 2000 Watt environ.
Après réflexion, je me suis aperçue que lors des montées à 10° le cheval peut avoir
plus de mal à tracter la calèche et donc aller moins vite. J’ai refait les calculs avec une vitesse
de 5 Km/h. On obtient ainsi, dans un cas optimal, une aide à 75% et dans un cas critique une
aide à 35% environ. Cela respecte le cahier des charges qui stipulé une aide de 50%.
Une fois la puissance déterminée, il a fallut calculer le couple à produire et pour cela
trouver la vitesse de rotation avec la formule :
16
On sait que :
De plus : 𝑃 = 𝐶 × 𝜔
On trouve un couple égal à environ 216 Nm au total, comme nous avons deux roues
motorisées le couple à fournir par moteur est égal à 108 Nm.
Choix du moteur
Sachant que la plupart des moteurs à courant continue tourne à 3000 tr/min, il me faut
un rapport de 32 pour se rapprocher au plus de la vitesse souhaitée.
A 3000 tr/min et avec une puissance d’environ 1000 W, le couple est de 3 Nm environ. J’ai
aussi été attentive à l’indice de perméabilité puisque le moteur sera à l’extérieur en
permanence et subira en grand partie les intempéries. Avec toutes ces caractéristiques, il a
fallut choisir un moteur. Plusieurs ont attiré mon attention, ROTOMAG, spécialisé dans les
moteurs pour les véhicules électriques, HUBNER et E.M.S concept.
E.M.S concept propose des moteurs à courant continue dont un alimenté en 12 ou 24
V, ayant une puissance de 1500 à 2000 W, un indice de perméabilité de 54 donc assez bon
mais il ne peut tourner que dans un seul sens et sa vitesse de rotation était un peu faible, 1600
tr/min. Les moteurs proposés sont de puissance inférieure et tournent encore moins vite.
Dans la marque HUBNER, trois moteurs correspondaient aux caractéristiques voulues.
Tous les trois ont une puissance de 1100 W et un IP de 54.
Type Volts (V) Vitesse de rotation (tr/min) Couple (Nm) Poids (Kg)
ZL56V -
1212/2
12 1200 8.75 20
X56V -
2424
24 2400 4.45 15.5
V56V -
3636
36 3600 2.98 13.4
Par soucis de légèreté, j’ai retenu le dernier moteur décrit, celui tournant à 3600 tr/min
et ayant un couple 2.98 Nm. La marque proposant le plus grand choix fut ROTOMAG. Dans
la série TENV-4POLE, la société a trois moteurs répondant à nos critères à 3000 tr/min:
Puissance (W) Volts (V) Couple (Nm) Protection Poids (Kg)
2.5 / 1865 24 - 36 - 48 6 IP 44 16
3.5 / 2610 24 - 36 - 48 8.4 IP 44 23
4.5 / 3350 36 - 48 10.7 IP 44 30
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Dans la série SPDP-4POLE, deux moteurs également correspondaient :
Puissance (W) Volts (V) Couple (Nm) Protection Poids (Kg)
2.0 / 1490 36 – 48 4.8 IP 44 23
3.0 / 2240 48 7.2 IP 44 23
Et enfin dans la série TEFC-4POLE :
Puissance (W) Volts (V) Couple (Nm) Protection Poids (Kg)
1.5 / 1120 24 - 36 - 48 3.6 IP 44 14
Le choix s’est finalement axé sur celui-ci car il est plus proche des caractéristiques que celui
de HUBNER.
Pour la suite de l’étude nous prendrons le moteur ROTOMAG série TEFC-4 POLE.
2. Dimensionnement réducteur
Détermination du rapport
A la sortie du moteur, j’ai placé un réducteur mais sachant qu’il nous faut un rapport
de réduction égal à 32 j’ai décidé de diviser le rapport. Mettre un rapport de 2 au niveau de
chaine et ainsi baisser le rapport à 16 pour le réducteur.
Choix du réducteur
La recherche du réducteur a été un peu longue : trouver le bon réducteur qui
correspondait à la sortie du moteur avec le bon rapport n’a pas été facile. C’est avec l’aide de
mon tuteur industriel que j’ai trouvé les réducteurs de la marque I.M.S sur le catalogue
prud’homme. Le réducteur I.M.S avec un rapport de 16 est un réducteur planétaire à deux
étages de réduction, son rendement est égal à 0.75, ce qui implique de prendre un moteur un
peu plus puissant à la base. Cela ne pose pas de problème puisque la puissance disponible va
de 1.5 W à 1120 W, on aura donc un moteur avec une puissance de 1400 W.
Par calcul, on obtient la chaine suivante :
P = 1400 W P = 1050 W
N = 3000 tr/min ɳ = 0.75 N = 187.5 tr/min
C = 3.6 Nm r = 16 C = 57.6 Nm
En sortie du réducteur se trouve directement le pignon du système de chaine. Pour
transmettre le mouvement j’ai placé une clavette que j’ai dimensionnée :
- Calcul de l’effort tangentiel :
Moteur
ROTOMAG
Réducteur
I.M.S
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- Calcul de la longueur :
3. Dimensionnement de la transmission
Choix pignon-roue
Une fois la clavette dimensionnée, il a fallut dimensionner le pignon et la roue dentée. Je
souhaitais que la roue dentée soit légèrement plus petite que le disque de frein par soucis
d’esthétisme.
Le dimensionnement a donc commencé par la roue dentée. Sachant que le disque de
frein a un diamètre de 250 mm il faut que le diamètre de la roue dentée soit inférieur. Le
catalogue prud’homme me proposait une gamme de pignons et roues dentées et j’ai trouvé
une roue de diamètre 182 mm avec 57 dents. De là j’ai pu déterminer le nombre de dents du
pignon et donc le choisir également dans le catalogue.
Roue :
Pignon :
Voici la chaine finale :
P = 1400 W P = 1050 W P = 997.5 W
N = 3000 tr/min N = 187.5 tr/min N = 93.75 tr/min
C = 3.6 Nm C = 57.6 Nm C = 115.2 Nm
F = 1265.9 N F = 1225.5 N
C = 115.2 Nm
C = 57.6 Nm D = 182mm
Z = 57 dents
D = 94mm
Z = 28 dents
Moteur
ROTOMAG
Réducteur
I.M.S
Système
chaine
ɳ = 0.75
r = 16
ɳ = 0.95
r = 2
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Pour transmettre le mouvement au pignon, une goupille m’a parut être le bon choix.
Facile à placer pour l’utilisateur, elle élimine deux degrés de liberté comparé à la clavette qui
ne bloque que la rotation. Le seul problème est qu’il faudra percer un trou dans l’arbre du
réducteur.
Calcul :
- Effort tangentiel
- Dimensionnement au cisaillement :
- Condition de résistance en cisaillement :
Pour les aciers doux : avec (pour un acier moyen)
Donc doit être inférieur à 400MPa ce qui est le cas.
Choix de la chaine
Le catalogue prud’homme proposait également des chaines à rouleaux série européenne
ou série américaine. J’ai pensé qu’il fallait mieux favoriser la série européenne puisque le
produit doit être le moins onéreux possible et qu’une importation couterait plus chère venant
des Etats-Unis, autre raison nos clients serait au départ des français.
Dans la série européenne le pas le plus petit possible est de 9.52.
20
- Vitesse linéaire de la chaine :
- Longueur primitive de la chaine :
Avec un pas de 9.52, une chaine à rouleaux simple a une rupture en traction à partir de 9000
N donc il y a un coefficient de sécurité égal à 7.
6. Liste des éléments à assembler :
Ma partie consiste a créé un kit électrique adaptable sur un maximum d’hippomobiles
actuelles, a partir des éléments choisit par ma camarde.
Les éléments choisis sont :
- Moteur à courant continue à aimant permanent :
- Marque : Rotomag
- Caractéristiques : 48V, 29A, 3000tr/min
- Réducteur planétaire :
- Marque : IMS
- Référence : P.81 C.105
- Pignon
- Marque : Prud’homme
- Caractéristiques : 28 dents, D=94mm
- Roue dentée:
- Marque : Prud’homme
- Caractéristiques : 57 dents, D=182mm
- Chaine :
- Marque : Prud’homme
- Caractéristiques : pas 9.52, acier inoxydable
21
7. Liste des différents problèmes
En premier, il m’a fallut modéliser en CAO une hippomobile actuelle la plus standard
possible. Grâce à M.CHANOUX j’avais à disposition une hippomobile récente, sur laquelle
j’ai put prendre beaucoup de mesures afin de modéliser le plus justement possible. J’ai ensuite
modélisé les différents éléments choisit, à partir des cotations données sur les catalogues. Ceci
m’a permis dans un premier temps d’évaluer l’encombrement du système par rapport à
l’hippomobile.
Grâce à la modélisation, 3 problèmes majeurs se sont présentés :
- où faire passer l’axe du moteur par rapport a l’arbre des roues (voir nomenclature),
en sachant qu’on a choisit une solution sans renvoi d’angle, donc avec l’axe
moteur parallèle à l’arbre des roues.
- Faire un système qui permet de régler la tension de la chaine, afin d’éviter les sauts
de chaines ainsi que les déraillements.
- Eviter les porta faux au niveau de l’arbre moteur. Car ceci agira aussi sur les sauts
de chaine ainsi qu’a la résistance du mécanisme.
22
8. Choix des montages effectués
Le premier montage à créer, était de fixer la roue denté permettant la transmission
du couple sur la roue de l’hippomobile. La première solution imaginer était de changer
les disques de frein, pour les remplacer par une roue disque dentée. Ceci avait de
nombreux points positifs : la matière du disque d’origine et du disque denté (pris sur le
catalogue ‘Prud’homme’) était la même. La largeur et le diamètre correspondait. Mais
deux problèmes se sont posés : Il y avait un risque que l’huile de la chaine coule sur la
partie frottant du disque, et le problème le plus important, est que la chaine ne pouvait
pas passer à l’intérieur de l’étrier de frein, sans avoir recours à des usinages trop
couteux. Il a donc été décidé de placer une roue denté entre la pièce faisant la liaison
entre le disque et la roue de l’hippomobile. Ceci présente deux avantages majeurs : La
mise en place est très facile, et la pièce finale a un coût très avantageux.
Ensuite il a fallut savoir où positionner le moteur. Le premier critère fixé a été de
faire en sorte que le moteur soit le plus près possible de la roue denté, de sorte a éviter
les porte-à-faux, et de faire un module compacte a chaque roues. J’ai ensuite éliminé le
positionnement au dessus de l’arbre des roues, car le moteur se serait retrouvé dans la
suspension et les fixations du pare-boue.
Puis j’ai éliminé le positionnement à l’arrière de l’arbre des roues, car c’est là que
se trouve l’étrier de frein. J’aurai été contraint d’éloigner l’entraxe, entre l’axe du
moteur et l’axe de l’arbre des roues, dû à la collision éventuelle entre le réducteur (fixé
en bout du moteur) et le disque de frein.
23
Pour ce qui est de mettre le moteur en dessous de l’arbre des roues, cela c’est
révélé possible, a condition de définir une hauteur minimum du moteur afin qu’il y est
le moins de risque possible de collision entre le moteur et les différents obstacles des
parcours effectués par l’hippomobile. La position idéale est donc de mettre le moteur
sur l’avant de l’arbre des roues.
(Moteur en position finale)
Ensuite il a fallut trouver un système permettant de régler la tension de la chaine.
Mais très vite je me suis orienté sur un système comportant deux plaques positionnées
en vé par un pivot, et une tige fileté, faisant varier l’angle entre les deux plaques, ce
qui fera en même temps varier l’entraxe (moteur et arbre de roue). Cette solution est
inspirée des systèmes de tendeur de courroie sur les voitures.
Puis pour des raisons de coût d’usinage, j’ai essayé de faire le même système avec
une tôle plié. Ceci aurait évité l’achat de deux charnières par moteur. Il aurait fallut,
pour tendre la chaine, maintenir le vé comprimé pendant l’installation de la chaine, et
le relâcher une fois la chaine installé, ce qui aurai tendu la chaine, grâce au retour
élastique.
24
9. Dimensionnement :
Mais pour pouvoir valider le système, il nous a fallut faire plusieurs calculs.
En premier les calculs de pliage :
Hypothèses :
- Tôle de 3mm d’épaisseur maximum, pour comprimé aisément l’angle lors du
montage de la chaine.
- Rayon du pliage : 10mm
- Angle : 50°
Calculs :
A% =
L’A% trouvé nous permet de choisir un acier ou un aluminium standard.
J’ai ensuite calculé les forces en action sur la tôle, pour pouvoir faire un calcul d’éléments
finis. Pour cela j’ai modélisé l’arbre (moteur) en statique, et j’ai appliqué la force dû au brin
dur de la chaine. (A représente l’appui du moteur, B représente l’appui du réducteur, et C
représente l’endroit où s’applique la force de la chaine).
Calcul du brin dur de la chaine : F = C R
F = = 1225.5N
Réduction en A :
^ + ^ =
^ + ^ =
64. .YB – 234.1 = 0
YB = 3657.4N
25
Réduction en B :
^ + ^ =
^ + ^ =
-64. .YA – 155.6= 0
YA = 2431.25
Calcul des efforts dû au couple du moteur :
Le point C représente l’axe du moteur (vue de face), les points A et B représentent les points
de fixation du moteur sur la ‘plaque 2 tendeur’ (voir nomenclature).
En A :
Mc + ^ =
+ ^ =
36 + 124 XB = 0
XB = -290.3N
Le problème est symétrique donc XA = -XB
XA = 290.3N
Grâce aux calculs statiques précédents j’ai pu modéliser en éléments finit toutes les forces
extérieur en présence sur la tôle.
26
On constate que 3mm d’épaisseur est insuffisant pour cette pièce. Après avoir changé
l’épaisseur sur le logiciel d’élément finit je me suis rendu compte que la tôle avait une
contrainte maximale pouvant être supporté seulement par l’acier, à partir de 5 mm d’épaisseur.
Cependant, un des objectifs du kit électrique, est qu’il doit être facile d’installation, ce qui
veut dire sans outillage spéciaux. Ce qui n’est pas le cas si la plaque a une épaisseur égale ou
supérieure à 5 mm. Car plié la plaque pendant le montage de la chaine se révèle dans ce cas
très compliqué, en vu de l’effort à appliquer.
Je suis donc retourné à la première solution qui consiste à mettre deux charnières ayant
chacune une longueur de 130mm avec un axe de 10mm. Cette solution coute plus chère, mais
offre une facilité d’installation ainsi qu’une facilité de réglage incomparable.
Ensuite il a fallut fixer tout le système trouvé précédemment, sur l’axe des roues. Pour
cela, il a fallu faire en sorte d’éviter les collisions entre les différents éléments fixés sur l’arbre
des roues (suspension, pare boue, disque de frein). C’est pour cela que la plaque est fixée de
sorte à ne pas dépasser la partie haute de l’arbre moteur. Il a était obligatoire de faire un
évidement permettant le passage de fixation de la suspension.
Le système des 3 vis en U permet de bien, repartir la charge subi par l’arbre des roues.
De plus une fois le système desserré, on peut le faire coulisser pour aligner le pignon avec la
roue dentée. Cependant sur certaines hippomobiles comme celle que nous avions à disposition,
il faudra remplacer un boulon par un soudage à cause du manque de place.
Le plus gros défaut apparent du système, est le porte-à-faux de l’ensemble pignon-
réducteur. Le porte-à-faux est de 155mm, pour un diamètre du réducteur de 105mm ce qui
créé un rapport de longueur sur diamètre de 1,5. On peut donc en déduire que la déformation
sera minime. (J’ai pas put faire une analyse par éléments finis, car le réducteur est pris dans le
commerce, et il me manqué beaucoup trop de côtes pour le modéliser).
27
Illustration des explications précédentes :
28
10. Partie électrique
Pour la partie asservissement, il fallait plusieurs modules :
- Détecter l’effort du cheval afin de l’aider au meilleur moment,
- Traiter l’information de l’effort ; démarrer ou non le moteur suivant l’effort,
- Gérer l’alimentation du moteur, et l’inverser si besoin.
Le seul endroit qui récupère les deux efforts du cheval se trouve sur le palonnier de la calèche.
J’ai d’abord pensé que les capteurs étaient la bonne solution, malheureusement la gamme de
capteurs est très grande. Voici quelques exemples qui ont le plus attiré mon attention :
- Les capteurs photoélectriques sont des capteurs de proximité. Cela posait le même
problème qu’avec les capteurs de position puisque j’aurai mis un émetteur avec
plusieurs récepteurs (ou réflecteurs) à des distances équivalentes. De plus ces capteurs
ont un temps de réponse assez élevé.
Position3
Position2
Position1
Emetteur
Emetteur
- Les capteurs inductifs produisent un champ magnétique à l’extrémité
de leur tête pour détecter tout objet métallique. La calèche étant faite
en acier, le capteur aurait été sollicité en permanence. Aussi ce
système a une étendue de mesure assez faible, est sensible aux autres
champs extérieurs et est assez onéreux.
- - Les capteurs de position sont des capteurs de contact
délivrant une sortie tout ou rien or le système doit
être asservi et l’information à l’entrée doit être
linéaire,
29
- Les capteurs analogiques de position appelés aussi capteurs linéaires sont plus adaptés
à notre étude. La linéarité du capteur est proportionnelle à sa course ; c'est-à-dire plus
la course est importante meilleure sera la linéarité. Il existe des capteurs de ce type
adapté pour un environnement extrême mais ces capteurs sont destinés à être montés
sur des actionneurs à déplacement linéaire (pédale, vérin,…).
- Dans la même gamme, j’ai trouvé les capteurs linéaires intégrés. Ils sont donc intégrés
dans des vérins hydrauliques ou pneumatiques, uniquement pour des applications
d’asservissement. Ils sont protégés des contraintes extérieures (chocs, température,…).
Cela parait être la bonne solution si on rajoute un circuit hydraulique ou pneumatique
pour alimenter le vérin. Or on aimerait un système léger, facile à monter, et qui ne
rajoute pas plus de modules.
Après avoir fait le tour des capteurs, je me suis aperçue que ce n’était pas la solution que
l’on attendait donc j’ai continué mes recherches. Mon tuteur, me voyant égarée, m’a parlé
d’une étude qu’avait faite l’INSA pour justement récupérer la valeur de l’effort d’un cheval.
J’ai affiné mes recherches et suis tombée sur cette étude, les élèves s’étaient servis d’un
dynamomètre pour évaluer l’effort musculaire.
Le concept parait réalisable, donne l’effort en temps réel et a une sortie analogique. Nous
placerons donc un dynamomètre sur le palonnier pour détecter l’effort. J’ai défini les
conditions suivantes : si la valeur est égale à zéro, la calèche est dans une descente et doit être
freinée, sur le plat la valeur sera égale à une valeur α qu’il faudra enregistrer et qui sera prise
- Les capteurs capacitifs sont des capteurs de proximité qui
détectent tout type d’objets à courte distance grâce à un
condensateur. Ce produit aurait été le mieux adapté puisqu’il
résiste à l’environnement industriel (atmosphère polluée) et
qu’il est étanche car recouvert de résine. Mais on retrouve
encore le problème de la sortie en tout ou rien.
30
en référence puisque si la valeur dépasse la valeur α, la calèche sera en montée et doit être
aidée.
A la suite du dynamomètre, il faut placer un module permettant de traiter les
informations données par celui-ci et gérer l’alimentation du moteur en fonction de ces
données. Mes connaissances en électricité étant limitées, je ne sais pas si les solutions
retenues sont les mieux adaptées. J’ai pensé à deux modules possibles soit un relais, soit un
API.
Un relais électromécanique est chargé de transmettre un ordre de la partie commande,
ici un dynamomètre, à la partie puissance, ici le moteur à courant continu.
Un API est un automate programmable industriel qui envoie des ordres vers les
préactionneurs (partie opérative ici le moteur) à partir de données d’entrées (partie commande
ici le dynamomètre) et d’un programme informatique.
L’intérêt de ce module est d’alimenter le moteur de façon proportionnelle à la force
mesurée et de gérer l’inversion du sens de rotation du moteur. Si la valeur reçue par la partie
commande est égale à zéro, l’API envoie l’ordre à l’inverseur de changer la polarité du
moteur et de le faire tourner dans le sens contraire. Si la valeur est supérieure à la valeur α,
alors l’inverseur rechange la polarité du moteur, sous ordre de l’API, qui tourne cette fois en
sens direct.
Les valeurs mesurées et traitées sont envoyées à un inverseur qui, suivant l’ordre
envoyé, inverse ou non le sens de rotation du moteur. La marque TROMBETTA proposait
plusieurs inverseurs.
Pour l’alimentation du moteur, je peux utiliser soit une batterie de 48V ou deux
batteries de 24V. J’ai préféré placer deux batteries de 24V. La marque la plus connu dans les
batteries pour véhicule électrique est la marque TROJAN.
Caractéristique des batteries choisies :
Tension Dimension Poids
112 Kg
Les batteries seraient placées sous le palonnier de la calèche (comme ci-dessous) dans
un caisson prévu à cet effet pour respecter la contrainte d’esthétisme.
Et en faisant mes recherches, j’ai découvert un relais inverseur ce qui
permettrait d’associer deux modules et d’éviter les interfaces. Mais
est-ce que ce module fonctionne linéairement ?
Suivant la force lue en entrée, l’API demande plus ou
moins de puissance au moteur. Je sais que l’API ne fonctionne
qu’en binaire donc incompatible avec le choix du dynamomètre.
31
La calèche, devenant un véhicule motorisé, devra être équipée de la signalisation
nécessaire sur route c'est-à-dire les feux stop, les clignotants et les feux de route.
L’ensemble des modules électriques a été choisi à partir de produit déjà existants.
L’étude a juste été abordée, il faut la finir en respectant le schéma suivant :
11. Etude supplémentaire
Durant l’étude, nous avons eut l’idée de mettre tout le système sur le train avant,
de sorte à le transformer en un système tracteur (option éventuelle du système). En
effet l’idée est de faire une partie avant amovible, de sorte a pouvoir l’atteler sur une
partie remorque différente (comprenant le plateau et les roues arrières) suivant la tache
à effectuer (ramassage des ordures ou transport de personnes).
Actuellement le système permettant la liaison entre l’ensemble tracteur et la
remorque, se fait grâce à deux plateaux créant un appui plan, qui sont maintenu par
quatre vis, créant la liaison encastrement. Il faut donc remplacer le système des vis par
Batteries
Batteries
Moteur
électrique Régulateur
Inverseur Dynamomètre
Batteries
Freiner
Accélérer
32
un système remplaçant les vis par quatre axes clavettés, permettant un assemblage
rapide.
Mais la partie qui pose le plus problème est les freins. En effet, actuellement les
hippomobiles sont conçut avec un système de freinage similaire a celui des véhicules
agricoles. Car jusqu'à aujourd’hui les conducteurs des hippomobiles utilisaient les
freins de l’hippomobile pour ne pas faire forcé le cheval pendant les descentes. On
retrouve donc deux pédales de frein : la première freine les roues avant, et la deuxième
freine les roues arrière, avec un seul vase d’expansion pour les deux circuits
hydrauliques. L’idée est de ne pas augmenter le nombre de pédale sur l’hippomobile
pour ne pas compliquer le travail du chauffeur. On utilisera une pédale commandant le
frein moteur, et une pédale commandant les freins à disque.
La commande des freins à disque va donc changer, de plus il faut faire un système
permettant de séparer l’avant et l’arrière de l’hippomobile, sans poser de problème
dans le circuit hydraulique des freins. Il se trouve indispensable de séparé le circuit des
freins avant et le circuit des freins arrières, ce qui implique deux vases d’expansion.
J’ai ensuite pensé a utiliser une partie électrique pour commander les freins, car il est
plus simple de débrancher de l’électrique plutôt que de l’hydraulique. Ce qui donne le
schéma suivant.
(Actuellement seulement l’étude de principe a été faite.)
33
ANNEXES
34
Kit d’assistance électrique
pour véhicule hippomobile
Notice d’installation du système
35
Sommaire :
I) Installation de la roue dentée……………………..…………………… P.38
II) Assemblage réducteur et pignon………………………………….…… P.39
III) Installation des moteurs……………………………………………..… P.40
IV) Installation des batteries………………………………………….…… p.45
V) Annexe (nomenclature, vue éclatée)………………………………….. p.46
36
I) Installation de la roue dentée
- Surélever l’avant de la calèche de tel sorte que les roues avant ne touchent plus le sol.
- Dévisser le cache sur la roue comme montrée ci-dessous. Dévisser les 4vis situées à
l’intérieur du moyeu. Puis enlever la roue.
- Vous devez apercevoir une pièce intermédiaire qui tient le disque de frein. La roue
dentée va venir se fixer sur cette pièce, insérer la roue dentée sur l’arbre apparent.
- Faites tourner la roue dentée jusqu’à ce que les trous des vis correspondent avec les
trous de la pièce intermédiaire.
- Remonter la roue de la calèche sur son arbre, placer la roue de telle sorte que les trois
trous coïncidents. Revisser la roue puis le cache.
37
II) Assemblage moteur et pignon
- Il faut d’abord assembler le moteur et le réducteur. Pour cela insérer l’arbre du moteur
dans l’alésage prévu à cet effet que vous trouverez sur un coté du réducteur.
- Effectuer la
même opération
pour l’autre roue
de la calèche.
ATTENTION
Veiller à insérer la clavette dans
l’emplacement prévu.
38
- Une fois insérée, visser le réducteur au moteur à l’aide les quatre vis diamètre 8mm
vendu avec le kit.
- Prendre le pignon (pièce N°), le placer sur l’arbre du réducteur. Insérer la goupille à
l’aide d’une masse en faisant attention à mettre les trous, prévu à cette effet, bien en face.
III) Installation des moteurs
- Prendre le tendeur (pièce N°), la placer de telle sorte que le tendeur soit placé sur l’avant
de la barre de direction et que l’évidement carré se situe sous la suspension de la calèche
comme ci-dessous.
39
- Prendre deux attaches en U (pièce N°), elles vont servir à attacher le tendeur sur la barre
de direction de la calèche comme ci-dessous.
- Enfin prendre les rondelles (pièce N°) et visser les écrous (pièce N°) sur les attaches en
U.
- Faire la même
opération sur
l’autre coté de
la calèche.
40
- Prendre les gonds (pièce N°), placer le coté le plus court sur le tendeur que vous venez
d’installer. Puis visser les gonds à l’aide des quatre vis diamètre 8 mm.
- Prendre le bloc moteur, monté précédemment, et le deuxième tendeur (pièce N°), visser
le bloc moteur sur le tendeur dans les trous indiqués ci-dessous.
- Le bloc moteur ainsi monté va venir se fixer sur l’autre coté des gonds. Placer le pignon
au même niveau que la roue dentée en ayant les quatre trous des gonds vers le bas.
Visser le bloc moteur à l’aide des vis diamètre 8 mm.
41
- Placer la chaine (pièce N°), entre la roue et le pignon, une fois la chaine installée faire
basculer le moteur jusqu’à ce que la chaine soit tendu.
- Faire la même
opération sur
l’autre coté de
la calèche.
42
- Prendre le soutient du réducteur (pièce N°), le placer sur le réducteur de la façon
suivante : il faut que le repli de la pièce soit du coté de la roue, que la pièce soit attaché
sur la réducteur coté moteur, et qu’elle soit attachée avec les rondelles (pièce N°) et les
vis diamètre 8 mm.
- Refaire le même assemblage sur le coté de la calèche pour obtenir ceci :
43
IV) Installation des batteries
- Prendre les barres prévues pour tenir le caisson des batteries (pièce N°), les placer sur
l’avant du palonnier de la calèche.
- Prendre le caisson des batteries (pièce N°),
le visser aux barres avec les huit vis de
diamètre 8 mm comme ci-dessous.
44
I) Annexe
45
46
47
Nomenclature du système
Quantité Référence Type Numéro
1 arbre Pièce 1
2 pièce attache disque Pièce 2
2 disque Pièce 3
2 étrier Pièce 4
2 roue calèche Pièce 5
2 suspension Pièce 6
1 plateau Pièce 7
2 moto réducteur Assemblage
1 pare boue Pièce 8
1 tendeur gauche Pièce 9
2 roue Pièce 10
1 tendeur droit Pièce 11
2 pignon Pièce 12
2 tige tendeur Pièce 13
8 attache U Pièce 14
1 plaque de mesure Pièce 15
6 attache U 45 Pièce 16
16 écrou Pièce 17
4 attache tendeur Pièce 18
6 rondelle d9 D18 Pièce 19
38 écrou de 13 Pièce 20
8 vis roue Pièce 21
8 vis disque Pièce 22
28 vis accoupleur Pièce 23
2 soutien réducteur Pièce 24
1 tendeur droit Pièce 25
4 charnière Assemblage
1 tendeur Pièce 26
1 goupille Pièce 27
2 attache caisson Pièce 28
1 caisson Pièce 29
8 vis caisson Pièce 30
Nomenclature de motoréducteur
Quantité Référence Type Numéro
1 moteur Pièce 31
1 réducteur P.81 C.105 Pièce 32
Nomenclature charnière
Quantité Référence Type Numéro
1 gond Pièce 33
1 gond2 Pièce 34
1 tige gond Pièce 35
Récapitulatif sur avant
Pièces différentes : 35
Total des pièces : 176
48
49
50
51
52
53
54
55
56
GOUMARRE Jean-Félix
Stage DUT 2007
Directeur de l’entreprise : M.LEJOSNE
Lieu du stage : Venelles
Tuteur industriel : M.LEJOSNE
Tuteur universitaire : M.LECHTEN
Résumé du projet de stage : Suite à la hausse du prix du pétrole, et à l’importance que représente l’écologie dans le
monde actuel, que certaines personnes on eut l’idée de réimplanter le cheval dans nos villes et
villages. C’est pour cela que M.CHANOUX a pensé à concevoir une hippomobile hybride
afin de facilité la réimplantation du cheval en l’associant avec des technologies actuelle. Nous
avons pour cela fait l’étude mécanique de système, par l’intermédiaire de l’entreprise Protect
Forest.
Nombre de pages du rapport : 34
Nombre de pages des annexes : 24
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