PIR 1A 2008 - Thomas BLANCHIER - Pierre VOLPATTI

314r — Fri, 01 Jan 2010 00:08:00 GMT

0905132333 Cette étude a été réalisée en 2008 dans le cadre d'un « P.I.R. 1A » (projet d'initiation à la recherche - première année) à l'ISAE SUPAERO de Toulouse (31).

Sommaire

I. Introduction

II. Présentation de la boîte de vitesses

III. Adaptation de la boîte de vitesses aux contraintes de fabrication

IV. Fabrication des différents éléments

V. Validation des actionneurs

VI. Bilan du PIR et perspectives

VII. Conclusion

I - Introduction

Faisant partie du Club Eco-Marathon de Supaéro, il nous a paru intéressant de réaliser un PIR afin de participer au développement de l’association tout en acquérant des connaissances techniques. Nous avons ainsi décidé de nous impliquer dans la conception et la fabrication de la boîte de vitesses du moteur siamois.

Nous avons repris le projet après le PIR réalisé l’an dernier, avec pour but de travailler dans la continuité de ce qui avait été réalisé. Avant de débuter nos travaux, nous avons donc pris connaissance des données existantes : la conception de la boîte était sensée terminée, et la fabrication était commencée. Ensuite nous avons fait un bilan des tâches restant à accomplir : finir la fabrication, monter la boîte, vérifier son fonctionnement et commencer la partie électronique, si nous avions le temps.

Cette première évaluation a été faite sans analyse approfondie, ce qui nous a amené à nous fixer des objectifs que nous n’avons pas pu atteindre. En effet, un paramètre très important est entré en compte dès le début de notre PIR : les plans de la boîte de vitesses ne comportaient aucun ajustement, ni cotation réaliste. En conséquence, notre travail a consisté à réaliser une analyse technique du système pour que la boîte puisse être fabriquée, montée, et démontée si possible. Les PIR précédents n’ayant pas pris en compte ce facteur pourtant essentiel, les pièces qu’ils avaient fait réaliser étaient inutilisables, à l’exception du porte satellites.

Nous allons présenter dans ce rapport comment nous avons adapté la boîte aux contraintes de fabrication et de montage, comment nous avons conçu et réalisé les pièces, et enfin les perspectives de ce PIR.

II - Présentation de la boîte de vitesses

Avant d’expliciter en détail en quoi a consisté notre travail, il apparaît nécessaire de présenter la boîte de vitesses du moteur siamois. Cet organe mécanique se monte sur l’arbre de sortie du moteur et possède deux rapports. Il s’agit en fait d’un réducteur épicycloïdal classique, composé d’un porte-satellites, d’une couronne, de cinq satellites et d’un planétaire. Le planétaire sert de pignon d’entrée, tandis que le pignon de sortie est monté sur le porte-satellites.

Le premier rapport est obtenu en venant solidariser la couronne et le bâti. On a ainsi une démultiplication qui permet de lancer la voiture sans trop forcer sur le moteur et entraîner une surconsommation néfaste. Le second est obtenu en bloquant complètement le train épicycloïdal, c’est-à-dire en solidarisant le porte satellites et la couronne. Le rapport est de 1 entre entrée et sortie.

D’un point de vue commande, la première s’enclenche grâce à deux électroaimants qui poussent l’ensemble crabots/couronne. Pour passer en seconde, il suffit d’envoyer une impulsion de polarité inversée aux électroaimants : ils se déverrouillent et grâce au ressort de rappel, le porte-satellites "crabote" sur la couronne.

Le couple est ensuite transmis à l’embrayage par l’intermédiaire d’un pignon de chaîne.

Vue de gauche de la boîte assemblée (avant modifications)

III - Adaptation de la boîte de vitesses aux contraintes de fabrication

Comme évoqué dans l’introduction, il a été nécessaire de compléter les plans existants de la boîte de vitesses pour que l’on puisse la fabriquer et ensuite la monter. Nous avons commencé par une analyse technique de la boîte de vitesses pour nous rendre compte de son fonctionnement et ainsi juger des liaisons mécaniques nécessaires entre les pièces.

Par la suite, nous avons mis en place les différentes cotations et tolérances sur les pièces concernées. De plus, il a été nécessaire de repenser quelques pièces pour assurer certaines fonctions, comme le montage d’éléments normalisés du commerce. Enfin, il est apparu indispensable de rajouter une pièce intermédiaire entre le ressort de rappel et la butée.

Analyse technique

Afin de débuter notre PIR et de pouvoir envisager la fabrication de la boîte de vitesses, nous avons réalisé une analyse technique du système. Nous avons pu comprendre de cette façon, et de manière structurée, comment cette boîte fonctionne et faciliter par la suite la fabrication et l’application des tolérances. Commençons par une nomenclature du système pour faciliter la compréhension :

Il vient donc naturellement le schéma cinématique du système, qui met en évidence les liaisons mécaniques entre les groupes cinématiques :

0 : Bâti - 1 : Couronne - 2 : Porte satellites - 3 : Satellite - 4 : Pignon d'entrée

Il ressort donc de ce schéma la nécessité de créer quatre groupes principaux, le pignon d’entrée ne dépendant pas de notre projet :

groupe 0 : le carter, rondelle réglage jeu, crabot carter
groupe 1 : crabot couronne, couronne support butée aiguilles, couronne, crabots
groupe 2 : le porte satellites, axes satellites, clavette pignon chaîne, pignon chaîne
groupe 3 : satellites

On réalisera des liaisons encastrement entre les différents éléments de ces groupes et on respectera les liaisons du schéma pour les liaisons entre les groupes. On veillera par la suite à s’assurer que certaines de ces liaisons sont démontables et que l’on peut changer les pièces d’usure sans détruire certaines pièces. Voici donc une liste des différentes liaisons que nous avons explicitées suite au manque de données de nos plans :

Encastrement démontable crabot couronne/couronne support butée
Encastrement non démontable crabots/crabot couronne
Encastrement non démontable couronne/crabot couronne
Encastrement démontable rondelle réglage jeu/carter
Encastrement démontable axes satellites/porte satellites

Après avoir fait ce travail global sur les liaisons, nous avons pu décider des tolérances à mettre sur les cotes pour obtenir un système montable.

Choix des tolérances

Lorsque nous avons découvert les plans de la boîte, il nous est apparu un problème essentiel : toutes les cotes sont données à plus ou moins deux centièmes de millimètre. Ceci est impossible puisque comme nous l’avons vu dans la partie précédente, il est nécessaire de définir les liaisons mécaniques de manière précise.

Par exemple, pour réaliser la liaison encastrement entre les crabots et le crabot couronne, les plans stipulent une cote de 5mm plus ou moins deux centièmes, à la fois pour l’alésage et pour l’arbre. Dans le cas où l’alésage mesure 5,02mm et l’arbre 4,98mm, le crabot ne tient pas dans son logement ; à l’inverse, si l’alésage mesure 4,98mm et l’arbre 5,02mm, on a besoin d’une presse très puissante pour les assembler. Il apparaît donc clairement la nécessité de placer sur les plans des tolérances en adéquation avec l’analyse technique.

L’encastrement entre la couronne et le crabot couronne se doit d’être indémontable : pour cela, la mise en place d’un ajustement serré du type H7p6 semble la meilleure solution pour réaliser la liaison. Or, la couronne avait été usinée au préalable par l’atelier de Supaéro par électro-érosion, ce qui nous a conduit à ajuster la tolérance sur l’alésage du crabot couronne.

Crabot couronne

En mesurant au palmer le diamètre de la couronne, puis en calculant l’intervalle de tolérance du H7p6, nous en avons déduit que le diamètre intérieur du crabot couronne devait mesurer 53,02 mm –0,002 –0,051. En effet :

Mesure diamètre couronne : 53,02mm
Intervalle de tolérance H7p6 : 49 μm
Diamètre maximal de l’alésage : 53,018 mm

En ce qui concerne l’encastrement des crabots, nous avons décidé en concertation avec l’atelier d’utiliser un intervalle de tolérance de 0,1 sur l’alésage et le trou, centré sur la cote nominale. Ce procédé permet de fabriquer rapidement et facilement les 16 crabots et de ne pas perdre de temps à faire des ajustements précis au vu du nombre à usiner. On va procéder par "appairage", c’est à dire qu’on va tester chaque crabot avec chaque trou pour que tous les ajustements soient réalisés. On va ensuite coller les crabots avec de la colle Loctite Blocpresse.

Pour les axes des satellites, à cause de leur diamètre, il est impossible d’envisager un ajustement de type H7m6 qui pourrait se démonter au maillet. En effet, bien que la solution soit la plus « propre », les tolérances sur des diamètres de 2mm sont de l’ordre du micron, précision irréalisable au tour ou à la fraiseuse. De plus, le porte satellites avait déjà été usiné et nous ne pouvions modifier que les plans des axes.

Ainsi, nous avons décidé de fabriquer les axes de sorte qu’ils soient montés glissants : on réalise une mise en position du type centrage long+appui assimilé ponctuel. Il suffit ensuite de coller les axes avec une colle non permanente. Le démontage des axes se fait de manière aisée : les trous étant traversants, un axe et un maillet suffisent à les sortir de leur logement.

Toujours dans la recherche des tolérances optimales, il est apparu le besoin de placer des IT normalisés sur les surfaces en contact avec des éléments roulants. Les diamètres extérieurs des crabots couronne et couronne support butée aiguilles ont donc été cotés à 68k6 et l’alésage de cette dernière pièce à 28H10 pour venir placer la butée à aiguilles.

Couronne support butée aiguilles

Pièces repensées

Les contraintes de montage/démontage évoquées dans la première partie, notamment au niveau des encastrements nous ont obligés à modifier des tolérances, mais également à repenser profondément certaines pièces. Par exemple, d’après les plans fournis, le centrage court entre le crabot couronne et la couronne support butée aiguilles n’est pas pertinent. Centré sur la cote nominale, l’intervalle de tolérance de 40μm autorise un montage glissant (qui rendrait la boîte de vitesses inutilisable, on a besoin d’un encastrement) aussi bien qu’un montage serré (qui rendrait la boîte indémontable, inconcevable d’un point de vue maintenance rapide).

En conséquence nous avons été obligés de repenser ces deux pièces pour réaliser l’encastrement démontable. Après concertation, il nous est apparu judicieux de lier ces éléments par vissage, en réalisant un filetage sur le crabot couronne et un taraudage sur la couronne support butée aiguille.

On a placé également un épaulement sur le crabot couronne pour pouvoir serrer les deux pièces.

Enfin, pour que l’on puisse visser et dévisser facilement ces éléments, nous avons rajouté deux méplats sur le diamètre extérieur. Ainsi, en bloquant le crabot couronne et en manœuvrant la couronne support avec une clé plate ou à molette (ou même une prise multiple), on monte ou démonte la boîte d’une manière très simple. Voilà donc nos pièces repensées :

Crabot couronne après usinage du filetage

Création d’une pièce intermédiaire ressort / butée

Lorsque nous avons voulu acheter les pièces standard de la boîte, nous nous sommes heurtés à plusieurs problèmes. D’une part, certaines pièces déjà achetées ne correspondaient pas à ce que les plans stipulaient, comme le pignon de chaîne par exemple. Nous avions besoin d’un pignon avec sur-épaisseur pour l’usiner et l’équipe précédente avait commandé un pignon classique sans sur-épaisseur.

Le second problème est plus ennuyeux : beaucoup d’éléments utilisés ne sont pas des standard du commerce. Ceci a deux conséquences principales : la première est le coût même des pièces. En effet, par exemple, la clavette du pignon de chaîne mesure 7mm et n’est pas carrée : une clavette carrée de 8mm de long coûte dans le commerce moins de 1€ tandis que nous avons besoin d’électro-érosion pour la réaliser, procédé coûtant plusieurs centaines d’euros.

La seconde conséquence est l’impossibilité de trouver des éléments que nous ne pouvons fabriquer, comme la butée à aiguilles. Introuvable dans ces dimensions, cela nous a amené à envisager une solution de secours. Le porte satellites étant déjà usiné et valant très cher, nous avons été contraints par son diamètre d’arbre et de support du ressort de conserver une butée de diamètre intérieur 12mm ainsi qu’un ressort de diamètre intérieur 26mm.

Le diamètre extérieur d’une butée de 12mm est 28mm, hors le diamètre extérieur du ressort est de 30. Ainsi, pour assurer un guidage et un appui corrects, nous avons dû concevoir une pièce intermédiaire qui réalise ces deux fonctions. Elle sera en centrage court sur l’arbre (liaison réalisée par un coussinet glycodur) et en appui plan sur la butée, le contact étant assuré par le ressort.

Il est important de noter que cela n’induit aucun frottement supplémentaire puisque les pièces sont en rotation relative uniquement en première, soit pendant la courte phase de lancement de la voiture.

IV - Fabrication des différents éléments

Axe des satellites

Les premières pièces à avoir été fabriquées sont les axes des satellites. Comme expliqué plus haut, ces pièces ont été très difficile à tourner, ne serait-ce que par la flexion de celles-ci au contact de l’outil. Ainsi, les passes d’usinage devaient être minuscules (maximum un dixième) et malgré cela, plusieurs passes à la même cote ont été nécessaires pour avoir un résultat convenable.

La fabrication de ces axes nous a donc rassurés vis-à-vis de l’impossibilité de réaliser une côte très précise du type H7.

Rectification des satellites

L’année passée, le PIR précédent avait commandé des satellites à rectifier, c'est-à-dire qu’il fallait passer l’alésage de 4,95 à 6,51. Nous nous sommes vite aperçu de plusieurs problèmes : l’acier des satellites était traité (traitement inconnu), ce qui allait rendre l’usinage difficile voire impossible et les alésages n’étaient pas centrés (un dixième de différence entre le rayon le plus faible et le rayon le plus fort). Sur les conseils de l’atelier, nous avons quand même essayé de passer au tour les satellites, procédé le plus facile pour recentrer les alésage. Préalablement, il a fallu usiner une bague fendue afin de pouvoir serrer convenablement les satellites dans les mors du tour.

Malheureusement, le traitement de l’acier n’a pas permis d’usiner les satellites. Seule l’électro-érosion permettrait de retravailler à Supaéro les satellites, mais la mise en œuvre de cette technique serait compliquée par le non centrage des alésages. Il a donc été décidé de commander des satellites tout prêts, malgré des délais de livraison assez importants (un mois).

Crabot couronne

L’usinage du crabot couronne n’a pas posé de difficulté particulière. Les seuls points délicats étaient l’IT très faible au niveau du diamètre extérieur (68 k6) et l’usinage du filetage avec une gorge peu profonde (à peine 2 mm).

Couronne support butée à aiguilles

L’usinage de cette pièce se rapprochait énormément de l’usinage du crabot couronne. Les difficultés ont donc été identiques. Le taraudage a néanmoins été délicat à réaliser.

Butée ressort

L’usinage de cette pièce n’a pas posé de problème majeur. L’usinage de mors doux afin de réaliser au mieux le biseau a tout de même été nécessaire.

V - Validation des actionneurs

Mesures d’efforts

Afin de dimensionner au mieux le ressort de rappel, nous avons décidé de mesurer les efforts liés aux actionneurs de la boîte de vitesses. Il s’agit de deux électroaimants linéaires à maintien Mecalectro type 8.MB3 40W alimentés par une tension de 12 V par impulsion.

Associé à un ressort, ce type d’électroaimant donne deux positions stables hors tension. Initialement monostable, il devient alors bistable.

Le but des mesures est de déterminer les efforts :

que peut fournir l’électroaimant par l’appel du noyau lors de la mise sous tension
à fournir par le ressort pour maintenir le noyau en position sortie
à fournir par le ressort pour déverrouiller le noyau lorsque le bobinage reçoit une impulsion en polarité inversée

Lors des premières mesures, il était apparu un problème très surprenant : le déverrouillage du noyau hors tension se faisant à 32 N, et sous tension à 50 N, peu importe la polarité. En réalité, nous nous sommes laissés abuser par une imprécision du site internet du fabriquant.

En effet, l’impulsion ne doit pas faire 100 ms mini, mais 100 ms maximum. La bonne durée de l’impulsion se situant entre 50 ms et 100 ms. A partir de cette constatation, les mesures ont pu être faites dans de bonnes conditions.

Les mesures ont été effectuées grâce à un dynamomètre numérique, sauf la force nécessaire au déverrouillage qui a été déterminée en accrochant des masses au noyau et en appliquant une impulsion pour tenter de le déverrouiller.

Protocole de mesure de la force nécessaire au déverrouillage

Nous avons donc mesuré :

la force que peut fournir l’électroaimant par l’appel du noyau dans le cas le plus défavorable (i.e. en bout de course) : 8 N (légèrement supérieur aux données fabricant)
le force nécessaire au maintien du noyau en position sorti dans le cas le plus défavorable (i.e. noyau sorti) : 0,4 N
la force nécessaire au déverrouillage du noyau : 5 N ce qui correspond bien aux données du constructeur

Ces efforts sont acceptables dans le cadre de l’utilisation de la boîte de vitesses et permettent de dimensionner le ressort.

Dimensionnement du ressort

Parmi les tâches affectées à la partie conception, nous devions dimensionner le ressort de rappel qui permet de rouler en seconde vitesse sans alimentation électrique permanente des électroaimants .

Ce ressort est soumis à quatre contraintes de fonctionnement principales, qui vont nous donner ses caractéristiques :

Il doit être suffisamment raide pour vaincre les frottements aluminium/acier au niveau des cages à aiguilles et les frottements acier/acier des satellites.
Il doit être suffisamment souple pour que les électroaimants puissent le comprimer jusqu’au bout.
Une fois détendu, il doit être capable de maintenir les noyaux en position sortie.
En première vitesse, il doit être capable de déverrouiller les noyaux des électroaimants

Ces quatre cas vont nous donner une fourchette d’efforts dans laquelle nous pourrons choisir notre ressort.

Les frottements lors de la translation sont dus au poids de l’ensemble crabots/crabot couronne/couronne/couronne porte butée. En estimant leur poids, et en connaissant les coefficients de frottement, on obtient facilement la force axiale à fournir pour déplacer l’ensemble. Pour simplifier les calculs, on a utilisé les hypothèses les plus défavorables, c’est à dire que tout le poids de l’ensemble repose sur la liaison acier/acier de coefficient 0,2.

Après avoir repensé les pièces, nous avons pu calculer le poids de l’ensemble qui est d’environ 180g au maximum. Avec le coefficient précédent, nous obtenons donc un effort de 0,4N au maximum si les états de surface sont mauvais.

La seconde contrainte venant des électroaimants nous impose une force de rappel inférieure à 16 N.

Le déverrouillage des noyaux des électroaimants en première vitesse impose une force de rappel supérieure à 10 N

Au vu des deux contraintes d’effort minimum, on prendra celle relative aux 0,4N de force minimale pour maintenir les électroaimants quand on est en seconde.

D’après les plans modifiés, le ressort sous contrainte en première mesure 17mm et 31mm en seconde. On pose de manière arbitraire une flèche en seconde de 4mm. En prenant un effort en première de 11N on obtient une raideur de 0,61N.mm^-1, ce qui nous donne en seconde un effort de 2,44N. De ce fait, l’effort de crabotage en première est de 5N et de 2,44N en seconde.

On a donc au final un ressort de diamètre intérieur 26mm, de constante de raideur 0,61N.mm^-1, de longueur à vide 35mm et en corde à piano.

VI - Bilan du PIR et perspectives

Cette partie est avant tout destiné aux PIR de l’année prochaine qui va reprendre notre travail sur la boîte de vitesses. Pour les aider au maximum, nous allons tenter d’être le plus complet possible, même s’ils doivent s’attendre à des imprévus inévitables.

Conseils d’ordre général

Considérant la difficulté et le temps que prend l’usinage de pièces, il faut essayer au maximum d’utiliser des pièces normalisées ou au moins qui existent dans le commerce. De plus, ça permet de trouver des solutions bien moins chères, et la fiabilité est d’autant plus grande.

Quitte à passer du temps sur un projet, il ne faut pas brûler les étapes. Là aussi il en va de la faisabilité des assemblages et de la fiabilité de l’ensemble. Même si ce n’est pas intuitif au départ, un projet est d’autant plus court qu’aucune étape n’a été éludée. Nous nous sommes heurtés à ce problème au niveau de l’analyse fonctionnelle de l’assemblage qui n’avait pas été faite, alors que la fabrication des pièces a quand même été lancée.

Nous avons passé beaucoup de temps sur des petits détails, qui apparemment n’étaient pas des problèmes : il ne faut donc pas sous-estimer le temps que l’on passe sur un tel projet. Un prototype réclame de toute façon un temps considérable, ne serait-ce que par la fabrication et/ou délais de livraison des pièces.

Ce qu’il reste à faire pour terminer l’assemblage

Voici ce que nous avons noté comme restant à faire, sachant que de nombreuses choses ont dû nous échapper ou que des problèmes ne sont pas encore apparus :

Faire le nouvel assemblage sous Catia avec les différentes pièces repensées et y inclure les actionneurs
Usinage des pièces suivantes : clavette, crabot carter, crabots de première et deuxième vitesse, rondelle de réglage de jeu, carter de boîte
Commande chez HPC :

Satellites (attention, le nombre de dents sur la référence du plan et sur le plan n’est pas le même  nombre de dents à définir) avec option alésage et épaisseur différentes (les roulements à aiguilles ont été achetés)

Rondelles satellite en nylon référence SHW-3/N/B

Pignon de chaîne référence S6-23 type S inox avec options alésage 10 et rainure clavette

Commande à la CIR

Butée à aiguilles SKF 12 28

Coussinet glycodur 12x14x8

Faire un assemblage à blanc de la boîte sans coller les axes afin de vérifier que tout va bien

Les plans, les nouvelles pièces Catia, ainsi que le rapport seront mis sur le FTP du club et seront accessibles à partir du réseau du campus.

VII - Conclusion

Lorsque nous avions préalablement défini les objectifs de ce PIR, nous nous étions basés sur les travaux réalisés par les équipes précédentes et les avions décidés vus de l’extérieur. Mais il s’est révélé au final que nous avons dû faire beaucoup de tâches imprévues et importantes, comme de la conception ou de la fabrication. Cette dernière étant très longue, cela ne nous a pas permis de commencer la partie électronique, même si nous avons validé les actionneurs.

Quoi qu’il en soit, et même si cela n’était pas parmi les objectifs « officiels » de notre PIR, ces tâches devaient être réalisées. Elles ont permis de plus de poser les bases théoriques et pratiques de la boîte de vitesses, de préparer le travail à venir et d’appliquer des notions de conception qui n’avaient plus été utilisées depuis les classes préparatoires. Nous avons pu également mettre à profit notre habilitation usinage.

Notre PIR étant lié au Club Eco-Marathon de Supaéro et étant de plus très impliqués dans cette association, notre second but était également de faire avancer le projet global pour la course de mai 2008. Nous avons donc travaillé en parallèle sur la voiture, que cela soit dans la réalisation de choses concrètes comme des pièces du moteur siamois, ou dans l’administration du club et de l’organisation de la course. En ce sens, nous avons atteint notre objectif, puisque cela nous a permis de collaborer avec l’équipe du PIR siamois et d’avoir un aperçu de ce que nous aurons à faire l’an prochain au niveau du club.

Athena II à Nogaro, mai 2008

Conception de la boîte de vitesses du moteur siamois