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C O N C O U R S A T S -SESSION 2013- É P R E U V E DE S C I E N C E S I N D U S

C O N C O U R S A T S -SESSION 2013- É P R E U V E DE S C I E N C E S I N D U S T R I E L L E S CALCULATRICE AUTORISÉE CODE ÉPREUVE : 959 DURÉE DE L’ÉPREUVE : 5H Le sujet comporte les documents suivants : - le texte du sujet qui comprend 24 pages numérotées de 1/24 à 24/24, - sept documents réponses numérotés document réponse 1, 2, 3, 4, 5, 6 et 7 qui seront à joindre à la copie. Les calculatrices sont autorisées. Calculatrice électronique de poche – y compris programmable, alphanumérique ou à écran graphique – à fonctionnement autonome, non imprimante, autorisée conformément à la circulaire n° 99-186 du 16 novembre 1999. Tout document et tout autre matériel électronique sont interdits. Toute documentation autre que celle fournie est interdite. Recommandations générales. L’épreuve se compose de parties indépendantes. Dans chaque partie, certaines sous-parties sont elles-mêmes indépendantes. Les candidats sont donc invités, d’une part, à lire attentivement l’énoncé avant de commencer à composer et d’autre part, à bien répartir leur temps de composition entre les différentes parties. Pour chaque partie, il est demandé aux candidats de rédiger dans l’ordre proposé par le sujet. Il est rappelé aux candidats qu’ils doivent impérativement utiliser les notations indiquées dans le texte ou sur les figures, et qu’ils doivent présenter les calculs clairement, dégager et encadrer les résultats relatifs à chaque question référencée dans le sujet. Tout résultat incorrectement exprimé ne sera pas pris en compte. Les candidats traceront tous les schémas ou chronogrammes qui leur permettront d’étayer leurs raisonnements. SOMMAIRE 1. Présentation du système 1.1. Problématique et objectifs de l’étude 1.2. Fonctions de service, diagramme des interactions 1.3. Caractérisation partielle des fonctions 1.4. FAST partiel associé à la fonction principale FP1 2. Analyse fonctionnelle et structurelle 3. Étude de la FC8 « diminuer les temps de parcours d’au moins 15% » 4. Étude de la FT1 : Détection de courbe 5. Étude de la FT3 « assurer un mouvement de rotation de la caisse » 6. Étude de la FT4 « Fournir l’effort de poussée » 6.1. Estimation de l’effort de poussée de l’actionneur Fv 6.2. Étude des fonctions techniques FT42 et FT43 6.3. Caractérisation et modélisation de la motorisation 6.4. Modélisation de l’asservissement du système 7. Vérification de la précision de positionnement p. 1 p. 3 p. 4 p. 4 p. 5 p. 6 p. 7 p. 10 p. 13 p. 14 p. 14 p. 17 p. 18 p. 22 p. 24 Documents réponse : Pages annexées DR1 à DR7 Concours ATS – Session 2013 – Epreuve SI Page 1 1. Présentation du système Il est aujourd’hui possible de réduire les temps de parcours en train grâce à la grande vitesse. Malheureusement, cette technologie nécessite la construction d’un réseau ferré spécifique et coûteux : les lignes à grande vitesse. Sur ligne classique, une augmentation de la vitesse du train conduirait à une dégradation du confort du passager en particulier lors du passage en courbe. En courbe, le passager est soumis à une accélération transversale (accélération centripète) qui au-delà d’une certaine valeur devient gênante, inconfortable. Pour compenser cette accélération transversale, la voie est posée avec un dévers dans les portions de courbe, c'est- à-dire que le plan des rails est incliné par rapport au plan horizontal (le rail extérieur est plus haut que le rail intérieur). Une alternative moins coûteuse que le TGV est possible avec le train pendulaire. La pendulation est un moyen efficace pour l’amélioration du confort des passagers et la réduction sensible des temps de parcours (de 15 à 25%) et ce, en circulation sur voie classique, donc avec un minimum d’impact sur les infrastructures. Elle autorise, par inclinaison de la caisse autour de son axe longitudinal (angle d’inclinaison qui s’ajoute à l’angle de dévers) la diminution de l’accélération transversale ressentie par les passagers et permet ainsi un passage en courbe à une vitesse plus importante qu’un train classique pour le même niveau de confort. L’étude proposée ici porte sur le système de pendulation de train interposé entre le bogie et la caisse. Ce système est composé de deux actionneurs (ou vérins) montés en opposition. Pendant que l’un des actionneurs « pousse » la caisse l’autre « tire ». Ces actionneurs inclinent la caisse en agissant sur une traverse qui supporte celle-ci. Figure 1 : comparaison train classique et pendulaire en courbe Concours ATS – Session 2013 – Epreuve SI Page 2 La traverse est « suspendue » au bogie grâce à 4 bielles montées en liaisons pivot. Ce système de bielles permet d’obtenir la cinématique de pendulation. Ce dispositif installé sous la suspension secondaire permet de garantir une excellente stabilité du bogie. Le mécanisme de pendulation étant situé au-dessous des suspensions secondaires, le comportement des suspensions reste inchangé par rapport à un bogie conventionnel. Bogie Suspensions Secondaires Caisse Suspensions Primaires Traverse de pendulation Actionneur Essieu - roues Figure 2 : schéma du système de pendulation Concours ATS – Session 2013 – Epreuve SI Page 3 1.1. Problématique et objectifs de l’étude Les trains pendulaires actuellement en service fonctionnent à l’aide d’actionneurs électro-hydrauliques. Cette technologie conduit à des coûts de maintenance très importants. Les concepteurs ont donc étudié la faisabilité d’une pendulation avec actionneurs électromécaniques. Le système d’actionnement électromécanique présente de nombreux avantages par rapport à la solution électro-hydraulique : . fiabilité accrue ; . maintenance moins coûteuse ; . poids inférieur ; . encombrement réduit ; . consommation en énergie plus faible. Ces actionneurs sont plus chers à l’achat mais le coût global de possession de ce système le rend avantageux. L’objectif général de l’étude est de modéliser le système de pendulation afin de vérifier la faisabilité d’une technologie de pendulation électromécanique et d’en dimensionner les principaux composants mécaniques, électriques et de commande. Concours ATS – Session 2013 – Epreuve SI Page 4 1.2. Fonctions de service, diagramme des interactions Fonctions de service : FP1 : permettre l’inclinaison de la caisse par rapport au bogie FP2 : garantir le respect du gabarit FC1 : participer au confort du passager FC2 : permettre des coûts de maintenance réduits FC3 : résister à l’environnement extérieur (Projections de ballast, d’eaux, de graisse, les lavages haute pression, …) FC4 : respecter les interfaces avec le bogie FC5 : respecter les interfaces avec la caisse FC6 : supporter et transmettre les efforts de la caisse FC7 : utiliser l’énergie électrique disponible FC8 : diminuer les temps de parcours d’au moins 15% 1.3. Caractérisation partielle des fonctions Fonction Critère Niveau FP1 Masse de l’ensemble caisse + traverse (par bogie) Angle de pendulation maximal entre traverse et bogie Mc = 35 tonnes αmax = +/- 6,3° FC1 Accélération non compensée maximale γncmax = 1,2 Energie Electrique Environnement Caisse Réseau ferré - voie Maintenance Voyageur FC1 FC3 FC2 FP1 FP2 FC7 Bogie FC4 FC6,FC5 FC8 Système de PENDULATION Concours ATS – Session 2013 – Epreuve SI Page 5 1.4. FAST partiel associé à la fonction principale FP1 Solution constructive Fonction de service Fonction technique FP 1: Permettre l’inclinaison de la caisse FT4 Fournir l’effort de poussée FT41 Transformer l’énergie électrique en énergie mécanique S.C. 2 FT1 Détecter la courbe FT2 Supporter la caisse FT3 Assurer un mouvement de rotation de la caisse autour de l’axe longitudinal Accéléromètres S.C.1 FT43 Transformer le mouvement S.C. 4 FT42 Adapter l’énergie mécanique S.C. 3 Concours ATS – Session 2013 – Epreuve SI Page 6 2. Analyse fonctionnelle et structurelle Moteur Résolveur Puissance Commande Capteur d'inclinaison traverse Réducteur Vis réversible Résistance Consigne Q1. À l’aide du schéma de principe figure 3 et de la présentation du système fournis au chapitre 1, indiquer sur le document réponse DR1 quelles sont les solutions constructives (S.C. 1 à S.C. 4 du diagramme FAST de l’analyse fonctionnelle) choisies par le constructeur pour assurer la réalisation des fonctions techniques. 6 2 4 5 8 7 1 – bogie 2 – traverse 3 à 6 – bielles 7 – corps actionneur 8 – axe actionneur Figure 3 : schéma de principe commande – actionneur – traverse de pendulation Ensemble actionneur électromécanique implanté entre traverse et bogie Liaison traverse Liaison bogie Capteur Traverse Bogie Bielle 3 1 Figure 4 : schéma cinématique ensemble de pendulation (un seul actionneur représenté) Concours ATS – Session 2013 – Epreuve SI Page 7 Q2. Sur le document réponse DR2, à l’aide du schéma cinématique fourni figure 4 compléter le graphe de liaisons en indiquant pour chaque liaison leur nom et nombre d’inconnues statiques. Déterminer le degré d’hyperstatisme de l’ensemble. On supposera l’actionneur électromécanique modélisable par un axe en liaison hélicoïdale avec le corps de l’actionneur. Sur la figure 4, un seul actionneur est modélisé. Du fait de la symétrie du problème il est possible de réaliser une étude simplifiée de la cinématique de pendulation en ne modélisant qu’un seul actionneur, la traverse et deux bielles, le tout étant ramené dans le plan. Q3. Sur le document réponse DR2 compléter le schéma cinématique dans le plan du système uploads/Litterature/ ats-si-959.pdf