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PPE 1 Projet Pluritechnique Encadre Groupe 4 PAPERA Thomas GUILLAUME Caroline G

PPE 1 Projet Pluritechnique Encadre Groupe 4 PAPERA Thomas GUILLAUME Caroline GAMBINI Julien SCHOEN Robin PPE 2 Introduction........................................................................................................................................................................................ 3 Analyse Fonctionnelle ........................................................................................................................................................................ 4 Diagrammes « bête à cornes » ainsi que FAST du système : ......................................................................................................... 4 Etude mécanique ............................................................................................................................................................................... 6 Phase de conception du prototype ................................................................................................................................................ 7 Liaison roue-galet ....................................................................................................................................................................... 7 Etude de la liaison axe rotor – galet ........................................................................................................................................... 9 Etude du maintien du galet ...................................................................................................................................................... 10 Etude de la liaison galet – arbre ............................................................................................................................................... 16 Etude de la liaison axe rotor – arbre ........................................................................................................................................ 17 Etude de la fixation et du réglage de l’effort de pression Galet - Roue ................................................................................... 19 Visualisation numérique sur Solidworks....................................................................................................................................... 21 Les Solutions pour la création du produit final............................................................................................................................. 22 Modification : Liaison roue-galet entraîneur ........................................................................................................................... 22 Modification : liaison galet - arbre ........................................................................................................................................... 22 Modification : Etude du maintien du galet .............................................................................................................................. 23 Modification : Etude de la liaison galet – arbre ....................................................................................................................... 23 Modification : Liaison Axe rotor - Arbre ................................................................................................................................... 24 Annexe : pièces utilisées pour le prototype ................................................................................................................................. 25 Etude électronique ........................................................................................................................................................................... 26 Programmation............................................................................................................................................................................. 26 Acquisition et Affichage de la puissance fournie en temps réel .............................................................................................. 26 Configuration et programmation du transistor de puissance .................................................................................................. 27 Réalisation d’un menu interactif .............................................................................................................................................. 27 Amélioration du rendu final ..................................................................................................................................................... 28 Circuit Electronique ...................................................................................................................................................................... 29 Prototype électronique ............................................................................................................................................................ 29 Circuit électrique final .............................................................................................................................................................. 30 Problèmes non-résolus ............................................................................................................................................................ 32 Annexes ........................................................................................................................................................................................ 32 Transistor ................................................................................................................................................................................. 32 Microcontrôleur ....................................................................................................................................................................... 32 Carte à Boutons Poussoirs ........................................................................................................................................................ 33 Carte Prototype ........................................................................................................................................................................ 33 Carte à LEDs.............................................................................................................................................................................. 33 Afficheur LCD ............................................................................................................................................................................ 34 Résistances ............................................................................................................................................................................... 34 Conclusion ........................................................................................................................................................................................ 35 PPE 3 Introduction Nous avons choisi de travailler sur le vélo d’appartement car c’était un sujet qui offrait une multitude de possibilités et qui comportait une partie mécanique et une partie électrique d’importances égales. La problématique à laquelle nous devions réaliser une solution technique était la suivante : A partir d’un vélo d’appartement et d’un générateur électrique, concevoir le système de conversion d’énergie. Autrement dit, ce projet consistait à transformer l’énergie fournie par l’homme en énergie électrique et de dissiper cette énergie de manière visible. Le cahier des charges fonctionnel imposait de concevoir une solution mécanique afin d’entrainer le générateur grâce à la roue avant du vélo, d’acquérir en temps réel l’intensité ainsi que la tension fournie par ce générateur afin d’obtenir et d’afficher la puissance fournie par le cycliste, et enfin d’imposer une charge résistive variable du générateur, avec un réglage par électronique programmée. Nous avons choisi de nous répartir suivant la manière suivante : PAPERA Thomas et SCHOEN Robin travaillant sur la partie Mécanique du projet. GUILLAUME Caroline et GAMBINI Julien travaillant sur la partie Electrique du projet. PPE 4 Analyse Fonctionnelle Diagrammes « bête à cornes » ainsi que FAST du système : Utilisateur (Cycliste) Energie en Entrée (Energie mécanique fournie) Vélo + Moteur (Générateur) Convertir l’énergie mécanique en énergie électrique et en extraire la puissance fournie par l’utilisateur Le produit rend service à l’utilisateur, ici le cycliste. Il agit sur l’énergie fournie par l’utilisateur (énergie mécanique) dans le but de la transformer en énergie électrique afin de calculer la puissance fournie par l’utilisateur. PPE 5 Convertir l’énergie mécanique humaine en énergie électrique Entraîner le moteur grâce au mouvement de rotation de la roue Moteur à courant continu Entraîner par friction Convertir l’énergie Galet Maintenir le galet Eviter le porte-à -faux Pièce en forme de U Lier le galet à l’axe du rotor Arbre Fixer le galet à l’arbre Provoquer la rotation de l’arbre Goupille Permettre la rotation de l’arbre dans la pièce en U avec glissement Coussinet à collerette Fixer l’arbre au rotor du générateur Vis de pression Fixer le système conçu Assurer sa mobilité Plaque de bois Permettre un réglage de pression entre la roue et le galet Lumières usinées sur la plaque Calculer la puissance en temps réel et la dissiper de manière visible Acquérir l’information Commander et gérer des intervalles de puissance Afficher la puissance en temps réel Carte électronique ECIO40P Transistor IRFZ44NPbF Carte électronique ECIO40P Afficheur EB005-00-3 PPE 6 Etude mécanique Le but de cette partie est de créer une solution technique permettant d’entrainer le générateur grâce à la roue du vélo. Autrement dit, cette partie du projet consiste à créer un ensemble de pièces assurant la liaison entre la roue et le rotor. LE CAHIER DES CHARGES DESCRIPTION DU SYSTEME PPE 7 Phase de conception du prototype Liaison roue-galet Tout d’abord, les professeurs nous ont imposé une vitesse de pédalage variant de 60 à 100 tours par minutes. 60 tr/min < Vpédalage < 100 tr/min ETUDE PROTOTYPE : Nous avons donc procédé à un test d’effort de pédalage pour l’utilisateur. A l’aide d’un tachymètre sans contact, nous avons mesuré la cadence de pédalage correspondant à l’intervalle demandé. GAMBINI Julien s’est proposé pour pédaler. Il en a fait le constat suivant, 100 tr/min est un rythme élevé mais soutenable sur plusieurs minutes, 60 tr/min reste un rythme de repos où l’effort fourni est moindre. Ensuite, nous avons calculé ce que les cyclistes appellent couramment le « braquet », c’est-à-dire le rapport : = = 2.9 Cela nous a permis de connaître la vitesse de rotation de la roue par rapport à la vitesse de pédalage de l’utilisateur. Ainsi, lorsque l’utilisateur fait un tour de pédales, la roue fait environ 2.9 tours. Puis, nous avons calculé le rapport de transmission entre la roue et le galet : = = 5 Il vient ainsi que lorsque la roue fait 1 tour, le galet en fait quant à lui, 5. Par conséquent, sachant que la vitesse de pédalage maximale imposée est de 100 tr/min, la vitesse de rotation maximale de la roue est donc de 290 tr/min. On en conclu que la vitesse de rotation maximale du galet est de 1450 tr/min. Le cahier des charges impose une liaison entre la roue et le galet par friction. C’est la raison pour laquelle nous avons gardé le galet fourni par les professeurs. Puis nous avons remarqué pour que la liaison roue-galet entraîneur se fasse correctement, il fallait exercer une force continue du galet pour éviter tous glissements afin de transmettre l’énergie mécanique crée par la roue du vélo. PPE 8 PHOTOS PROTOTYPE : Friction Schéma de principe Force constante pour le contact roue- galet Schéma de principe Roue du vélo Maintien PPE 9 PROBLEMES OBSERVES AVEC LE PROTOTYPE : Etude de la liaison axe rotor – galet Pour pouvoir fixer le galet à l’axe rotor du générateur, nous avons choisi de passer par l’intermédiaire d’un arbre. Ainsi, nous pouvons éloigner le générateur du galet et par conséquent éviter tout encombrement entre le générateur et la roue ou encore entre le générateur et le cadre du vélo (fourche avant fixant la roue). ETUDE PROTOTYPE : En ce qui concerne le dimensionnement de l’arbre, nous avons choisi un diamètre de 18mm car le galet réutilisable comportait déjà une extrusion de même diamètre en son centre. Pour sa longueur, après avoir mesuré la distance séparant la roue de l’extrémité du cadre du vélo, nous avions tout d’abord choisi 110mm. PPE 10 Etude du maintien du galet La question du maintien du galet était selon nous, un élément important de notre projet. La liaison Galet/Roue par friction impose un effort pour éviter tous glissements et ainsi optimiser le rendement du système. De plus, nous avons eu une certaine appréhension quant au fait que l’effort de pression pour assurer au mieux la liaison de friction « pousse » le galet et pourrait donc risquer d’endommager l’axe moteur ou même le galet. Pour assurer ce maintien, nous nous sommes tout de suite penchés sur la solution qui consistait à créer une pièce en forme de U pour être sûr de maintenir le galet des deux côtés. Ainsi, nous avons donc envisagé une liaison pivot entre la pièce en U et le galet. Pour se faire, nous avons privilégié le « montage en chape » qui permet la réalisation d’une liaison pivot de manière rapide et économique. ETUDE PROTOTYPE : Schéma de principe Au départ, nous nous posions des questions sur la qualité et la durée de ce montage compte tenu qu’il est adapté pour des efforts et vitesses faibles. Nous pensions que notre vitesse de rotation maximale du galet qui est de 1450 tr/min était trop élevée, tout comme l’effort de pression pour assurer au mieux l’entrainement par friction et éviter les pertes. Nous en avons donc parler aux professeurs qui nous ont indiqué que le « montage en chape » supportera sans problèmes les caractéristiques de notre système, d’autant plus que le vélo ne servira pas tous les jours. PPE 11 DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS PROTOTYPE : PHOTOS PROTOTYPE : Nous ne nous attarderons pas sur le dimensionnement de cette pièce, car elle a rapidement été modifiée par un de nos professeurs pour y insérer des macarons permettant l’accueil de coussinets dont nous évoquerons le choix sur la partie suivante. Cette personne s’est servie de la même base que celle de la pièce que nous avions auparavant dessinée, il a ainsi conservé uploads/Geographie/ projet-pluritechnique-encadre-velo-d-x27-appartement-lycee-astier-2011-2012-dossier-final.pdf