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Mécanique appliquée aux systèmes mécaniques UE2 Sciences de l’Ingénieur Filière

Mécanique appliquée aux systèmes mécaniques UE2 Sciences de l’Ingénieur Filière MECANIQUE Travaux dirigés Thème: Vélo à assistance électrique et dérailleur intégré CALVET – CHEVALIER – FAVIER - LIGIER  2012 – Sujet développé par CALVET – droits réservés – reproduction interdite Année Universitaire 2014-2015 MÉCANIQUE APPLIQUÉE VÉLO À ASSISTANCE ELECTRIQUE PRESENTATION GENERALE Vélo à assistance électrique et à dérailleur intégré Ce type d’étude de mécanique est de confronter l’ingénieur apprenti à une situation d’avant projet de développement de produit. Après une étude préliminaire permettant la compréhension du système étudié, chaque groupe d’apprentis est confronté à une problématique mécanique à résoudre. On cherche à développer l’esprit d’initiative et la capacité à mobiliser l’ensemble des connaissances pour résoudre un problème.  : Partie du dossier technique à consulter éventuellement sur le poste informatique. 1 Présentation du produit: Le système industriel qui fait l’objet de l’étude est un vélo à assistance électrique débrayable. L’intérêt de ce type de vélo est de doubler la puissance de pédalage comme le montre qualitativement la figure ci-dessous lorsque l’utilisateur en éprouve le besoin. Présentation Vélo à assistance électrique p 2 Description générale du vélo à assistance électrique. Moyeu NEXUS à vitesses intégrées Combinaison puissance musculaire et assistance électrique Assistance électrique Puissance musculaire Durée Puissance MÉCANIQUE APPLIQUÉE VÉLO À ASSISTANCE ELECTRIQUE 2 Présentation du moyeu multivitesse NEXUS: Le moyeu NEXUS est un système de changement de vitesses intégré au moyeu arrière, ce qui offre un grand confort d’utilisation par rapport au système traditionnel (pignons / plateaux / dérailleur). Les points mis en avant par la société SHIMANO pour son système NEXUS sont :  Plus de saut de chaîne  (1 plateau / 1 pignon)  Possibilité de cartériser la chaîne.  Possibilité de passer les vitesses à l’arrêt.  Transmission robuste et de faible entretien. La sélection des vitesses s’effectue de manière manuelle par une commande au guidon. L’autre particularité du système NEXUS est d’intégrer la fonction freinage dans ce même moyeu qui se concrétise par un frein à rouleaux robuste et progressif gardant les mêmes performances par tout temps (Etanchéité des éléments de friction). Cette gamme NEXUS se décline en trois modèles (3, 4 ou 7 vitesses) et propose deux options de commande de freinage : commande manuelle au guidon. commande par rétropédalage (entretien simplifié). C’est le moyeu 4 vitesses SG-4C30 équipé du frein à rétropédalage (voir DT3) qui est le sujet de l’étude. Présentation Vélo à assistance électrique p 3 NEXUS SG-4C30 en situation Pignon d’entrée du système NEXUS  NEXUS SG-4C30 démonté - Pignon d’entrée retiré  MÉCANIQUE APPLIQUÉE VÉLO À ASSISTANCE ELECTRIQUE ETUDES Vélo à assistance électrique et à dérailleur intégré Etude préliminaire : Analyses fonctionnelle et cinématique Etude spécifique A] : Vérification des performances du système. Etude spécifique B] : Etude de la résistance d’une pièce (système PAS). Etude spécifique C] : Etude géométrique d’engrenage (Système NEXUS) Etude spécifique D] : Etude dynamique développée système NEXUS (freinage) ETUDES Vélo à assistance électrique p 4 MÉCANIQUE APPLIQUÉE VÉLO À ASSISTANCE ELECTRIQUE ETUDE PRELIMINAIRE Analyse fonctionnelle du système PAS Documents à consulter : Dossier technique / Ressources Informatique QUESTION 1 QUESTION 1 Définir la liaison : - Réalisée par le roulement p1 entre le couvercle p21 et l’axe du pédalier p12. - Réalisée par le roulement p2 entre le carter p15 et la roue conique p17. - Entre la roue conique p17 et l’axe du pédalier p12. QUESTION 2 QUESTION 2 Réaliser un schéma d’architecture de la liaison {carter p15 + couvercle p21} / axe du pédalier p12. QUESTION 3 QUESTION 3 Déterminer la liaison équivalente {carter p15 + couvercle p21} / axe du pédalier p12. QUESTION 4 QUESTION 4 Vérifier l’isostatisme de cette liaison. Analyse fonctionnelle du système NEXUS Documents à consulter : Dossier technique / Ressources Informatique QUESTION 5 QUESTION 5 Identifier les trois roues libres du système. Définir leur fonction technique et la fonction de service à laquelle elles s’adressent. QUESTION 6 QUESTION 6 Expliquer comment s’effectue la sélection de vitesse. QUESTION 7 QUESTION 7 Pour la sélection de la troisième vitesse, le sélecteur 29 est dans la position suivante : En mettant en évidence graphiquement le mouvement des différentes dentures des engrenages pour une rotation du pignon 22, indiquez quel engrenage est activé par cette sélection et indiquer le comportement des deux autres engrenages. ETUDES Vélo à assistance électrique p 5 23 21 19c 13 19b 19a Position du sélecteur 29 pour ce rapport MÉCANIQUE APPLIQUÉE VÉLO À ASSISTANCE ELECTRIQUE Etude cinématique du système PAS et du dérailleur Nexus Documents à consulter : Dossier technique / Dossier ressource Objectif : Dans cette partie, on étudie les chaînes cinématiques utilisées tant au niveau du système PAS qu’au niveau du système de transmission NEXUS. Données et hypothèses : On note i/j ou ij la fréquence de rotation du solide i par rapport au solide j. La figure n°1 du dossier ressource représente la modélisation adoptée pour l’étude cinématique du système PAS et du système NEXUS en 1ere vitesse ce qui correspond à une prise directe entre le pignon d’entrée du moyeu NEXUS 22 et la roue arrière RA, soit : 22/0 = RA/0 et on pose 1 = 22/0 RA/0 ω ω = 1 La figure n°2 du dossier ressource représente la modélisation cinématique adoptée pour l’étude cinématique des 2eme, 3eme ou 4eme vitesses du système NEXUS, on précise que le passage des différentes vitesses se fait en bloquant un des trois pignons (13, 21, 23) par rapport au bâti. Le mécanisme permettant le changement de vitesse n’est pas étudié. La fréquence de pédalage de cycliste est définie par p12/p0 et on pose p12/p0 = p12/p0. o x  Le diamètre des roues du vélo est Droue = 650 mm Questions : QUESTION 1 QUESTION 1 Déterminer littéralement, en fonction des nombres de dents, le rapport k1 = p12/p0 p8/p0 ω ω QUESTION 2 QUESTION 2 Déterminer littéralement le rapport k2 = p11/p0 p8/p0 ω ω en fonction des Zi et des Ri. Quelle conclusion peut-on donner sur la mise en rotation de l’arbre moteur lors de l’assistance ? QUESTION 3 QUESTION 3 Application numérique : déterminer la valeur numérique de k1, de k2 et du rapport p12/p0 p11/p0 ω ω QUESTION 4 QUESTION 4 Déterminer littéralement puis numériquement, en fonction des nombres de dents les rapports i = 22/0 RA/0 ω ω (i = 2, 3, 4) relatifs à la 2ième, 3ième et 4ième vitesse en précisant pour chaque rapport la configuration cinématique du système NEXUS QUESTION 5 QUESTION 5 Déterminer littéralement la vitesse V de déplacement du vélo par rapport au sol en fonction de p12/p0. On précisera les hypothèses nécessaires à ce calcul. Tracer les différentes courbes de vitesse du vélo V (en km/h) en fonction de la fréquence de pédalage Np12 en tr/min. QUESTION 6 QUESTION 6 Déterminer la fréquence de rotation maxi du moteur d’assistance Np11 pour une vitesse de 15 km/h du vélo. ETUDES Vélo à assistance électrique p 6 MÉCANIQUE APPLIQUÉE VÉLO À ASSISTANCE ELECTRIQUE Etude spécifique A] : Etude dynamique du vélo Documents à consulter : Dossier technique / Dossier ressource Objectif : Dans cette partie, on désire à partir d’une étude dynamique évaluer le couple de pédalage avec et sans assistance électrique en phase d’accélération. Données et hypothèses : Le système de transmission est en position première vitesse. La modélisation utilisée pour cette étude est définie sur la figure N°3 du Dossier Ressources. Le repère (O, sol x  , sol y  , sol z  ) est supposé Galiléen. Le centre de gravité G de l’ensemble {0, 1} est défini par OG = y. sol y  + 2.Rroue. sol z  JH = L. sol y  et JG. sol y  = 3 1 .L L’action mécanique de la chaîne sur le pignon 22 lié à la roue arrière RA est modélisée par un couple : 1 C  = - C1. sol x  L’action mécanique du sol sur la roue arrière RA est modélisée en J par:              0 . .    sol RA sol sol RA sol J RA sol y T z N  L’inertie des pièces des systèmes PAS et NEXUS, animées d’un mouvement de rotation est négligée pour cette première étude. La surface frontale S de l’ensemble {0, 1} est évaluée à 0,75 m2. Le coefficient de pénétration dans l’air Cx (ou de traînée) est estimé à 1. On suppose que l’action de l’air sur l’ensemble {0, 1} est modélisée par un glisseur dont l’axe central coïncidant avec la vitesse du vélo passe par G. La norme de la résultante de cette action mécanique est : 2 1 ..Cx.S.V2 où V représente la vitesse de l’ensemble {0, 1} par rapport au sol. Le déplacement du vélo s’effectue suivant l’axe sol y  et dans le plan (O, sol y  , sol z  ). L’ensemble {0, 1} est en phase d’accélération supposée constante, de plus on pose : uploads/Industriel/ sujet-velo.pdf