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TP Moyeu multivitesses NEXUS D. Bernard, O. Calvet, L. Durousseau Développé au

TP Moyeu multivitesses NEXUS D. Bernard, O. Calvet, L. Durousseau Développé au sein de l’IUFM de Créteil par Daniel BERNARD (professeur certifié de construction mécanique), Laurent DUROUSSEAU (professeur stagiaire PLP de construction mécanique) et Olivier CALVET (professeur agrégé de mécanique), l’exploitation pédagogique du moyeu multivitesses NEXUS offre un panel de situations d’apprentissages diversifiées sur les contenus et adaptables à différents niveaux d’enseignement. Le contexte d’étude de l’IUFM et les tentatives innovantes d’exploitation ont permis de proposer un produit pédagogique constitué de ressources complémentaires (produit réel didactisé, produit réel semi-démontable, ressource informatique, maquette virtuelle, dossier technique) permettant de multiples configurations avec les élèves. 1 Présentation du produit (figure 1) Le produit moyeu multivitesses NEXUS de la société SHIMANO a été présenté dans le n° 113 de la revue TECHNOLOGIE. Le modèle étudié (figure 1)comporte un sous-ensemble de transmission à quatre rapports intégrés dans le moyeu et un sous-ensemble de freinage commandé par rétropédalage. L'intérêt pédagogique du système est multiple et permet notamment de développer deux concepts technologiques importants : - l'adaptations des caractéristiques mécaniques d'entrées - sorties d'un système de transmission de mouvement - le freinage. Figure 1 : Présentation du moyeu NEXUS Moyeu NEXUS seul Le thème se prête relativement bien à l’intérêt des élèves que ce soit au niveau 2 ISI, SSI, STI, BAC-PRO EDPI ou même BEP secteur industriel. Les étudiants préparant le BTS CPI pourront aussi trouver une source importante d’inspiration technologique. Il s’agit d’un produit appartenant à l’environnement de la bicyclette que les élèves connaissent bien. Toutefois ce type de transmission, n’est pas forcément bien connu, puisqu’on trouve le moyeu multivitesses plutôt sur des bicyclettes de moyenne ou de haute gamme destinées à des personnes privilégiant le confort d’utilisation. Ce qui n’est pas le critère prépondérant des jeunes. Cependant il est nécessaire de constater que les accessoires dans le domaine de la bicyclette ont évolué technologiquement de manière importante depuis une bonne dizaine d’années pour arriver à des produits relativement sophistiqués. Ces évolutions, rendues nécessaire par des pratiques diversifiées de la bicyclette (VTT, route, vélo de ville…) ont amené les constructeurs à proposer des modèles de bicyclette adaptés à différents publics. Il est donc intéressant de présenter et de travailler avec un produit qui se rapproche du quotidien de la plupart des élèves et qui présente du même coup des intérêts techniques et économiques majeurs dans le cadre des apprentissages. La réflexion et le travail pédagogique relative au NEXUS s'est étendue sur un an. Le contexte de la préparation concours d'une part et de l'année de formation IUFM d'un professeur stagiaire d'autre part ont permis de disposer d'apports techniques et pédagogiques complémentaires. La confrontation des points de vue dans l'équipe pédagogique (un formateur IUFM , un professeur de lycée technologique, un professeur stagiaire de lycée professionnel) ainsi que le contexte de formation et d'expérimentation de l'IUFM de Créteil ont permis de dégager des pistes pédagogiques intéressantes et innovantes. 2 Présentation du TP moyeu multivitesses 3- 1 La manipulation du système réel La conception modulaire du moyeu à vitesses intégrées permet un démontage relativement aisé. Cette modularité permet d'isoler l'un ou l'autre des modules réalisant les deux fonctions principales (transmettre et freiner), soit dans le but d'occulter les parties trop complexes pour un niveau de classe (transmission par train à planétaires), soit pour permettre de centrer rapidement l'étude sur la (ou les) partie qui permettra à l'élève d'atteindre, au terme des TP, les connaissances et compétences visées (transférables à d'autres systèmes). Les activités de démontage, dont le degré de complexité est adaptable, permettent de confronter l’élève aux fonctions techniques et à leurs solutions (roue libre à cliquet, à rouleaux, frein à tambour…) (figure 3). figure 2 Ces solutions pourront, par la suite, être comparées avec d'autres solutions répondants aux même fonctions sur d'autres systèmes et critiquées sur différents critères (encombrement, résistances, prix…). Ce type d'activité concourent à l'ébauche d'une culture technologique indispensable à la compréhension de notre environnement technique. La figure 2 présente les différentes fonctions techniques et leurs solutions sur le moyeu NEXUS. Concernant les expérimentations, notre volonté a été de proposer une maquette permettant de réelles expérimentations de la part des élèves. Outres les activités de "démontage" évoquées ci dessus, le système Nexus, par une maquettisation simple et peut encombrante devrait permettre aux élèves de mener des expérimentations avec un maximum d'autonomie. Il est ainsi envisager de faire travailler les élèves sur une maquette permettant à la fois d'effectuer différents relevés de fréquences de rotation (ω plateau…), de mettre visuellement en évidence le déphasage entre le pignon et la roue pour certaines vitesses (index sur le pignon et sur la roue) et d'effectuer des mesures sur les efforts de freinage (pour ces dernières mesures, le mode opératoire et l'instrumentation restent à définir, même si une des solutions envisagée est la pose de différentes charges sur une pédale et la mesure des efforts (dynamomètre) à produire sur la roue pour atteindre la limite du glissement). Il est possible de laisser plus ou moins d'autonomie à l'élève aussi bien durant les mesures, qu'en amont, durant la phase d'instrumentation de la maquette avec les différents instruments de mesure (capteurs de vitesse…). Figure 3 : le moyeu NEXUS en partie démonté Par cet accent porté sur la manipulation et l'expérimentation, l'objectif est double : - d'une part faire en sorte que les élèves soient capables, en les guidant, d'extraire de leurs observations des lois régissant le comportement de mécanismes et transférables à d'autres systèmes, - et d'autre part de rendre l'apprentissage le plus autonome (mise en œuvre d'une démarche expérimentale: instrumentation partielle de la maquette…) et le plus motivant possible par la diversité des activités et des ressources disponibles. Nous souhaitons que ces activités contribuent à éveiller la curiosité des élèves (comment ça marche ? comment c'est fait ?) et leurs donnent les moyens et les outils de répondre à leurs questions. - 3- 2 La découverte technique du système à travers différents modes de représentation Nous avons évoqué plus haut la difficulté de compréhension du fonctionnement que pouvait poser certains modules du moyeu et notamment le module de transmission par train à planétaires. De cette complexité est apparue naturellement la complémentarité des différents modes de représentation. Ainsi le dessin d'ensemble 2D, le modèle volumique et le schéma cinématique pris séparément ne sont pas capable de rendre compte à la fois du fonctionnement, de l'agencement (surfaces en contact, jeu…) et de la forme, parfois complexe, de certaines pièces. Si le volumique permet d'appréhender rapidement la forme extérieure des pièces, il ne donne que des renseignements partiels sur les contacts entre solides. On peut de même remarquer que la construction de modèle 3D commence toujours par un profil sur un plan de projection 2D. Enfin, le schéma cinématique permet-il de mettre en évidence les mouvements et les caractéristiques essentielles de la transmission en ne fournissant aucun renseignement sur les solutions adoptées. Il semble dès lors important d'attirer l'attention des élèves sur l'intérêt des différents modes de représentation de cette transmission, ceux- ci étant accessibles par la ressource informatique (voir plus loin). 3- 3 les problèmes abordés et les contenus de formations 3-3- 1 Prop osition de TP en STI: Ce premier TP reposant sur le sous-ensemble de transmission favorise l'expérimentation et la manipulation. Un second TP (non présenté dans cet article aborde le sous-ensemble de freinage et est traité au niveau BAC-PRO EDPI). Notre souci a été de proposer aux élèves des TP attrayants et abordant des problèmes à résoudre les plus vraisemblables possibles et relatifs à la construction mécanique. PREMIERE PARTIE: Vérification expérimentale des performances du moyeu multivitesses figure 4 Le problème abordé par la première partie du TP proposé en STI est de vérifier les performances de la transmission NEXUS pour la comparer à une transmission classique. La démarche proposée est une analyse descendante du produit et la compétence visée est une compétence de construction : "Déterminer les caractéristiques cinématiques d'une chaîne fonctionnelle" (BO HS du 24 septembre 92). Cette première partie du TP doit permettre à l'élève, grâce à des expérimentations sur un système réel, de découvrir la notion de rapport de transmission et la façon de le calculer dans des cas simples (figure 4 et 5). Au cours de cette étude, l'élève sera donc amené à : - effectuer des mesures de vitesse pour calculer des rapports de réduction de la transmission NEXUS, - calculer les rapports de transmission de différents vélos pour ensuite comparer les performances des différentes transmissions - et conclure sur celle incluant le moyeu NEXUS (figure 5 : en rouge figure des propositions de réponses attendues). Dans cette étude, les outils de communication technique (boites fonctionnelles…) et/ou graphiques (courbes…) sont utilisés par l'élève pour rendre compte de ses observations et de ses expérimentations. La conclusion de cette partie sur l'étude des performances de la transmission s'effectue par comparaison graphique des rapports de figure 5 transmission et permet de mettre en évidence l'harmonie de la transmission. Cette première partie aura permis d'introduire la notion de rapport de transmission, sa définition (rapport de la uploads/Management/ moyeu 1 .pdf