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Protect Forest IUT d’Aix en Provence 45 avenue des ribas avenue Gaston Berger 13770 Venelles 13625 Aix en Provence Cedex 1 GOUMARRE Jean-Félix TULLAT Samantha Rapport de stage DUT 2 ème année Génie Mécanique et Productique HIPPOMOBILE HYBRIDE Date de soutenance : 26 Juin Tuteur universitaire : M.LECHTEN Tuteur industriel : M.LEJOSNE

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Protect Forest IUT d’Aix en Provence

45 avenue des ribas avenue Gaston Berger

13770 Venelles 13625 Aix en Provence

Cedex 1

GOUMARRE Jean-Félix

TULLAT Samantha

Rapport de stage DUT 2ème année

Génie Mécanique et Productique

HIPPOMOBILE HYBRIDE

Date de soutenance : 26 Juin

Tuteur universitaire : M.LECHTEN

Tuteur industriel : M.LEJOSNE

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Sommaire :

I. Rapport technique……………………………………………….…... P.3

1. Recherche des solutions existantes……………...……………. P.3

a. Les solutions électriques existantes

b. Les différents principes de transmission de puissance

2. Réalisation du cahier des charges…………………………... P.7

a. Fonctions globales

b. Le marché

c. Enoncé fonctionnel du besoin

3. Dimensionnement du moteur…………………………….… p.15

a. Détermination du couple

b. Choix du moteur

4. Dimensionnement du réducteur…………………………..… p.17

a. Détermination du rapport de réduction

b. Choix du réducteur

5. Dimensionnement de la transmission……………………..... p.18

a. Choix pignon-roue

b. Choix de la chaine

6. Liste des éléments à assembler…………………….……….. P.20

7. Liste des différents problèmes …………………………… P.21

8. Choix des montages effectués…………………….……..... P.22

9. Dimensionnement …………………...……………..….. P.24

10. Partie électrique…………………………………………….…. P.28

11. Etude supplémentaire……………………….………..…... P.31

II. Annexes……………………………………………………….…… P.33

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- Voiture électrique : Ce système qui est très connut

car il est très ancien, ne m’a pas paru très

intéressant a étudié, car il s’agit seulement d’une

voiture classique avec un moteur électrique à la

place du moteur thermique. Le point important que

j’ai put relever, est le problème de l’encombrement

des batteries, leur poids, et le temps de charge.

- Vélo électrique : Ce système, m’a paru très intéressant,

car il s’agit exactement du principe que je voulais

appliquer. En effet le vélo électrique se recharge dans les

descentes, et aide le cycliste dans les montées suivant

l’effort mesuré sur les pédales. De plus j’avais put voir

pour la première fois le système de roue-moteur. Mais la

grande différence était l’échelle du système, qui était très

inférieur a celle voulu pour l’hippomobile.

I. Rapport technique

a. Recherche des solutions existantes

1. Les solutions électriques existantes

Pour commencer, mon tuteur de stage a voulu que je me renseigne sur tous les

systèmes hybrides existant, car selon lui les meilleures solutions, existe déjà. De plus si je ne

retiens pas forcement une solution déjà existante, ceci me donne des idées pour la suite de

l’étude. J’ai pour cela fait la liste des systèmes hybrides et électriques existants :

- Voiture électrique

- Vélo hybride (électrique)

- Scooter électrique

- Voiture hybride

- Golf kart

Les solutions trouvés étaient toutes très différentes, que se soient par la taille ou par la

technologie qu’elles utilisées. Il m’a fallut faire la liste des caractéristiques principales des

chaque systèmes.

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- Scooter électrique : L’avantage du système du scooter

électrique est qu’il m’a permis de mieux visualiser le

système roue-moteur, car j’ai trouvé plus de

documentation a ce sujet. De plus l’échelle du système

de puissance se rapproche de l’échelle voulue.

- Voiture hybride : Le système, qui était

très certainement le plus compliqué étudié.

Il m’a permis de mieux se faire une idée

sur la difficulté de gérer la puissance du

système hybride en fonction de la

puissance du système existant et de la

puissance voulut.

- Golf kart : Le golf kart utilise une puissance

électrique très proche de celle envisagé, ainsi

qu’un système de contrôle de la puissance

intéressant.

2. Les différents principes de transmission de puissance

En plus des systèmes électriques existants, j’ai cherché différentes façons de contrôler

le couple transmis à la roue, de façon a être le plus précis possible avec le meilleur rendement.

J’avais vu grâce aux systèmes précédents la solution ‘tout électrique’. Mais j’ai eu l’idée de

passer par l’intermédiaire d’un système hydraulique, comme expliqué ci-après.

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Chaine du principe de fonctionnement du système hydraulique :

En pente positive :

En pente négative :

Avantages Inconvénients

Solution hydraulique Système connut et existant

Asservissement facile à gérer Trop d'interfaces

Encombrant

Solution tout électrique Facile à mettre en place Asservissement difficile pour un

étudiant en GMP

Dans la chaine de fonctionnement ci-dessus, les parties de la même couleur indique

qu’il s’agit du même élément, mais agissant dans le sens inverse de fonctionnement.

Après avoir fait des recherches sur les différents modules hydrauliques dont j’avais

besoin, je me suis aperçut qu’un système semblable existait déjà sur les engins de travaux

publique, et agricole.

Ce système permet une transmission de puissance progressive, et souple d’utilisation.

Mais bien que très intéressant sur les systèmes a forte puissance, il m’a paru beaucoup moins

intéressant au vu de la puissance, et des pertes dû aux différentes interfaces que cela implique.

Car il ne faut pas oublier que notre système doit utiliser le moins d’énergie possible car sinon

cela implique d’embarquer plus d’énergie électrique, ce qui augmente le poids du système. En

effet bien que le système utilise de l’hydraulique, l’énergie de départ reste l’électricité, et

comme dans tous les véhicules électriques il faut pouvoir stocker l’énergie dans les batteries

qui même avec la technologie actuelle, reste très lourdes.

J’ai pour ses raisons éliminé la solution hydraulique au profit de la solution en tout

électrique, faisant intervenir moins d’interfaces, et qui semble plus légère.

Moteur

Électrique

Pompe

Hydraulique

Limiteur

De pression

2 Moteurs

hydraulique

Roue

Roue 2 Pompes

hydraulique

Limiteur

De pression

Moteur

Hydraulique

Générateur

Électrique

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Une fois la solution tout électrique choisie il m’a fallut choisir avec quel principe

j’installerais la solution. J’ai donc imaginé les schémas de principe suivants :

Solution 1 :

Le moteur est fixé soit sur le plateau, soit sur l’arbre fixe (voir les pièces dans les annexes).

Solution 2 :

Les moteurs sont fixés sur l’arbre fixe, près des moyeux des roues.

Avantages Inconvénients

Solution 1 couple égale sur les deux roues Pas de différentiel

beaucoup d'interfaces

Solution 2 Peu d'interfaces équilibrage du couple entre les roues

discret

Au vu du tableau précédent, j’ai choisit la solution 1 qui consiste à mettre un moteur

par roue, qui élimine le problème du différentiel, et évite le surnombre d’interfaces.

1 Moteur 1 Réducteur 1 Renvoi d’angle 2 systèmes chaines

2 Moteurs 2 Réducteurs 2 systèmes chaines

2 Cardant

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b. Réalisation du cahier des charges

Objectif : Assister le cheval, afin de soulager les efforts intenses dû au relief.

Dans quel but : réintroduire le cheval dans les collectivités, pour des fonctions comme le

ramassage scolaire, ramassage des ordures, visites touristiques.

Bête à corne :

A qui rend-t-il service ? Sur quoi agit-il ?

A qui sert le produit ?

- Au cheval.

Sur quoi agit-il ?

- Les roues de l’hippomobile.

Fonction globale :

- Assister l’effort du cheval.

Pourquoi le besoin existe-t-il ?

- Avec la crise et le prix du pétrole, certaine collectivité veulent réutilisées le cheval.

Qu’est-ce qui pourrait le faire disparaitre ?

- Manque de client.

- Un trop grand développement des énergies renouvelables pour les véhicules.

Système

électrique

Le Cheval Les roues

Aider à

tracter et à

freiner

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Diagramme pieuvre :

FP 1 : Assister l’effort du cheval.

FC 1 : Etre aux normes.

FC 2 : Résister a l’environnement extérieur.

FC 3 : Avoir un poids minimum.

FC 4 : S’adapter à l’espace prévu.

FC 5 : Prévoir un entretien facile.

FC 6 : Produire un minimum de bruit.

FC 7 : Etre discret.

FC 8 : Avoir un prix abordable.

Cheval Calèche

Système

électrique Normes

Poids

Encombrement

Bruit

Esthétique

Entretient

Environnement

Prix FC1

FC2

FC3

FC4 FC5

FP1

FC6

FC7

FC8

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Fonction Critères Niveau d’exigence Flexibilité

FP1 Tracter la calèche

Freiner la calèche

Ne pas endommager la calèche

Assistance de l’effort à 50% F0

FC1 Répondre aux normes de sécurité Code de la route F0

FC2 Résister à l’environnement

extérieur

Protection du système contre

toutes dégradations dues au

temps et aux chocs

F1

FC3 Poids Etre le plus léger possible F2

FC4 Volume S’adapter à un emplacement

réduit

F1

FC5 Maintenance Accès facile, peu fréquente,

facile à faire.

F2

FC6 Minimum de bruit Ne pas entendre le système F1

FC7 Etre discret Ne pas voir le système F1

FC8 Prix Le plus bas possible F1

FP1 FC1 FC2 FC3 FC4 FC5 FC6 FC7 FC8 Total %

FP1 2 3 3 3 3 3 3 3 23 16,0

FC1 2 3 3 3 3 3 3 3 23 16,0

FC2 1 1 2 2 3 3 3 3 18 12,5

FC3 1 1 2 3 2 3 3 2 17 11,8

FC4 1 1 2 1 1 2 3 2 13 9,0

FC5 1 1 1 2 3 2 3 2 15 10,4

FC6 1 1 1 1 2 2 2 2 12 8,3

FC7 1 1 1 1 1 1 2 3 11 7,6

FC8 1 1 1 2 2 2 2 1 12 8,3

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Le marché :

Nature de l’étude :

- Faire un kit électrique s’adaptant sur les hippomobiles standards, du marché actuel.

Aucun dispositif semblable n’existe sur le marché.

Quels sont les clients :

- Les collectivités voulant réutiliser la traction du cheval.

- Les particuliers pratiquants régulièrement l’attelage.

Autre débouchée pour le système :

- Le système peut servir de base à un système similaire s’adaptant sur les voitures.

Directives techniques :

Sur quoi agit-on ?

- Sur les roues de l’hippomobile.

Ou s’en sert-on ?

- Sur les routes, et chemins.

Quand l’utilise-t-on ?

- Dans les pentes.

Energie utilisé :

- Electrique.

Interdiction d’un principe ou d’une solution :

- Changer les roues.

- Mettre un moteur thermique.

- Ré-usiner les pièces d’origine de l’hippomobile.

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FP1 :

Aider le

cheval

Gérer le

système

Inverser les

polarités du

moteur

Détecter la

présence

d’un effort

Adapter

l’énergie

électrique

Donner et

acquérir des

informations

Inverseur

Dynamomètre

Contacteur

API

Agir sur les

roues

Transformer

l’énergie

Adapter

l’énergie

Transmettre

l’énergie

Moteur

Réducteur

Système de

chaîne

Alimenter

système Batteries

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FC1 :

FC2 :

FC3 :

Avoir un

minimum de

poids

Choisir des

éléments

légers

Résister aux

chocs

Résister à

l’environnement

extérieur

Utiliser des

éléments

étanches

Utiliser des

matériaux

inoxydables

Résister à la

corrosion

Rendre

étanche le

système

Respecter les

normes de

sécurité en

vigueur

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FC4 :

FC5 :

FC6 :

FC7 :

FC8 :

Doit rester

raisonnable

Etre discret Prévoir une

protection petite et

non voyante

Produire un

minimum

de bruit

Prévoir un

moteur

silencieux

Prévoir un

entretient

facile

Prévoir un

accès facile

au système

Respecter

l’encombrement

Se fixer sur

tout type de

calèche

S’adapter à

l’espace

prévu

S’adapter

aux essieux

courants

Prévoir un

système

compact

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Réducteur

Pignon-Roue

Chaîne

Moteur

électrique

Contacteur

Inverseur

Batterie

Intensité

Manomètre API Dynamomètre

Position

Commandes

marche/arrêt

Acquérir et

mettre en forme

Traité Communiquer

Alimenter Distribuer Convertir Transmettre Rouler

Electricité

Cheval non

assisté

Cheval assisté

Chaîne d’information

Chaîne d’énergie

Niveau batterie

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1. Dimensionnement du moteur

Calcul

Je suis partie de l’hypothèse la suivante : une calèche sur une pente à 10°, roulant à 10

km/h et ayant un poids total, sans le poids du cheval et la charrette étant chargée au maximum

(6 personnes), égal à 1 tonne.

Grâce à cette formule : , j’ai pu déterminer la puissance totale à développer

pour aider le cheval à 100%.

= 981.14 𝑁

D’où:

Nous aidons le cheval à 75% donc la puissance total est de 2000 Watt environ.

Après réflexion, je me suis aperçue que lors des montées à 10° le cheval peut avoir

plus de mal à tracter la calèche et donc aller moins vite. J’ai refait les calculs avec une vitesse

de 5 Km/h. On obtient ainsi, dans un cas optimal, une aide à 75% et dans un cas critique une

aide à 35% environ. Cela respecte le cahier des charges qui stipulé une aide de 50%.

Une fois la puissance déterminée, il a fallut calculer le couple à produire et pour cela

trouver la vitesse de rotation avec la formule :

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On sait que :

De plus : 𝑃 = 𝐶 × 𝜔

On trouve un couple égal à environ 216 Nm au total, comme nous avons deux roues

motorisées le couple à fournir par moteur est égal à 108 Nm.

Choix du moteur

Sachant que la plupart des moteurs à courant continue tourne à 3000 tr/min, il me faut

un rapport de 32 pour se rapprocher au plus de la vitesse souhaitée.

A 3000 tr/min et avec une puissance d’environ 1000 W, le couple est de 3 Nm environ. J’ai

aussi été attentive à l’indice de perméabilité puisque le moteur sera à l’extérieur en

permanence et subira en grand partie les intempéries. Avec toutes ces caractéristiques, il a

fallut choisir un moteur. Plusieurs ont attiré mon attention, ROTOMAG, spécialisé dans les

moteurs pour les véhicules électriques, HUBNER et E.M.S concept.

E.M.S concept propose des moteurs à courant continue dont un alimenté en 12 ou 24

V, ayant une puissance de 1500 à 2000 W, un indice de perméabilité de 54 donc assez bon

mais il ne peut tourner que dans un seul sens et sa vitesse de rotation était un peu faible, 1600

tr/min. Les moteurs proposés sont de puissance inférieure et tournent encore moins vite.

Dans la marque HUBNER, trois moteurs correspondaient aux caractéristiques voulues.

Tous les trois ont une puissance de 1100 W et un IP de 54.

Type Volts (V) Vitesse de rotation (tr/min) Couple (Nm) Poids (Kg)

ZL56V -

1212/2

12 1200 8.75 20

X56V -

2424

24 2400 4.45 15.5

V56V -

3636

36 3600 2.98 13.4

Par soucis de légèreté, j’ai retenu le dernier moteur décrit, celui tournant à 3600 tr/min

et ayant un couple 2.98 Nm. La marque proposant le plus grand choix fut ROTOMAG. Dans

la série TENV-4POLE, la société a trois moteurs répondant à nos critères à 3000 tr/min:

Puissance (W) Volts (V) Couple (Nm) Protection Poids (Kg)

2.5 / 1865 24 - 36 - 48 6 IP 44 16

3.5 / 2610 24 - 36 - 48 8.4 IP 44 23

4.5 / 3350 36 - 48 10.7 IP 44 30

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Dans la série SPDP-4POLE, deux moteurs également correspondaient :

Puissance (W) Volts (V) Couple (Nm) Protection Poids (Kg)

2.0 / 1490 36 – 48 4.8 IP 44 23

3.0 / 2240 48 7.2 IP 44 23

Et enfin dans la série TEFC-4POLE :

Puissance (W) Volts (V) Couple (Nm) Protection Poids (Kg)

1.5 / 1120 24 - 36 - 48 3.6 IP 44 14

Le choix s’est finalement axé sur celui-ci car il est plus proche des caractéristiques que celui

de HUBNER.

Pour la suite de l’étude nous prendrons le moteur ROTOMAG série TEFC-4 POLE.

2. Dimensionnement réducteur

Détermination du rapport

A la sortie du moteur, j’ai placé un réducteur mais sachant qu’il nous faut un rapport

de réduction égal à 32 j’ai décidé de diviser le rapport. Mettre un rapport de 2 au niveau de

chaine et ainsi baisser le rapport à 16 pour le réducteur.

Choix du réducteur

La recherche du réducteur a été un peu longue : trouver le bon réducteur qui

correspondait à la sortie du moteur avec le bon rapport n’a pas été facile. C’est avec l’aide de

mon tuteur industriel que j’ai trouvé les réducteurs de la marque I.M.S sur le catalogue

prud’homme. Le réducteur I.M.S avec un rapport de 16 est un réducteur planétaire à deux

étages de réduction, son rendement est égal à 0.75, ce qui implique de prendre un moteur un

peu plus puissant à la base. Cela ne pose pas de problème puisque la puissance disponible va

de 1.5 W à 1120 W, on aura donc un moteur avec une puissance de 1400 W.

Par calcul, on obtient la chaine suivante :

P = 1400 W P = 1050 W

N = 3000 tr/min ɳ = 0.75 N = 187.5 tr/min

C = 3.6 Nm r = 16 C = 57.6 Nm

En sortie du réducteur se trouve directement le pignon du système de chaine. Pour

transmettre le mouvement j’ai placé une clavette que j’ai dimensionnée :

- Calcul de l’effort tangentiel :

Moteur

ROTOMAG

Réducteur

I.M.S

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- Calcul de la longueur :

3. Dimensionnement de la transmission

Choix pignon-roue

Une fois la clavette dimensionnée, il a fallut dimensionner le pignon et la roue dentée. Je

souhaitais que la roue dentée soit légèrement plus petite que le disque de frein par soucis

d’esthétisme.

Le dimensionnement a donc commencé par la roue dentée. Sachant que le disque de

frein a un diamètre de 250 mm il faut que le diamètre de la roue dentée soit inférieur. Le

catalogue prud’homme me proposait une gamme de pignons et roues dentées et j’ai trouvé

une roue de diamètre 182 mm avec 57 dents. De là j’ai pu déterminer le nombre de dents du

pignon et donc le choisir également dans le catalogue.

Roue :

Pignon :

Voici la chaine finale :

P = 1400 W P = 1050 W P = 997.5 W

N = 3000 tr/min N = 187.5 tr/min N = 93.75 tr/min

C = 3.6 Nm C = 57.6 Nm C = 115.2 Nm

F = 1265.9 N F = 1225.5 N

C = 115.2 Nm

C = 57.6 Nm D = 182mm

Z = 57 dents

D = 94mm

Z = 28 dents

Moteur

ROTOMAG

Réducteur

I.M.S

Système

chaine

ɳ = 0.75

r = 16

ɳ = 0.95

r = 2

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Pour transmettre le mouvement au pignon, une goupille m’a parut être le bon choix.

Facile à placer pour l’utilisateur, elle élimine deux degrés de liberté comparé à la clavette qui

ne bloque que la rotation. Le seul problème est qu’il faudra percer un trou dans l’arbre du

réducteur.

Calcul :

- Effort tangentiel

- Dimensionnement au cisaillement :

- Condition de résistance en cisaillement :

Pour les aciers doux : avec (pour un acier moyen)

Donc doit être inférieur à 400MPa ce qui est le cas.

Choix de la chaine

Le catalogue prud’homme proposait également des chaines à rouleaux série européenne

ou série américaine. J’ai pensé qu’il fallait mieux favoriser la série européenne puisque le

produit doit être le moins onéreux possible et qu’une importation couterait plus chère venant

des Etats-Unis, autre raison nos clients serait au départ des français.

Dans la série européenne le pas le plus petit possible est de 9.52.

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- Vitesse linéaire de la chaine :

- Longueur primitive de la chaine :

Avec un pas de 9.52, une chaine à rouleaux simple a une rupture en traction à partir de 9000

N donc il y a un coefficient de sécurité égal à 7.

6. Liste des éléments à assembler :

Ma partie consiste a créé un kit électrique adaptable sur un maximum d’hippomobiles

actuelles, a partir des éléments choisit par ma camarde.

Les éléments choisis sont :

- Moteur à courant continue à aimant permanent :

- Marque : Rotomag

- Caractéristiques : 48V, 29A, 3000tr/min

- Réducteur planétaire :

- Marque : IMS

- Référence : P.81 C.105

- Pignon

- Marque : Prud’homme

- Caractéristiques : 28 dents, D=94mm

- Roue dentée:

- Marque : Prud’homme

- Caractéristiques : 57 dents, D=182mm

- Chaine :

- Marque : Prud’homme

- Caractéristiques : pas 9.52, acier inoxydable

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7. Liste des différents problèmes

En premier, il m’a fallut modéliser en CAO une hippomobile actuelle la plus standard

possible. Grâce à M.CHANOUX j’avais à disposition une hippomobile récente, sur laquelle

j’ai put prendre beaucoup de mesures afin de modéliser le plus justement possible. J’ai ensuite

modélisé les différents éléments choisit, à partir des cotations données sur les catalogues. Ceci

m’a permis dans un premier temps d’évaluer l’encombrement du système par rapport à

l’hippomobile.

Grâce à la modélisation, 3 problèmes majeurs se sont présentés :

- où faire passer l’axe du moteur par rapport a l’arbre des roues (voir nomenclature),

en sachant qu’on a choisit une solution sans renvoi d’angle, donc avec l’axe

moteur parallèle à l’arbre des roues.

- Faire un système qui permet de régler la tension de la chaine, afin d’éviter les sauts

de chaines ainsi que les déraillements.

- Eviter les porta faux au niveau de l’arbre moteur. Car ceci agira aussi sur les sauts

de chaine ainsi qu’a la résistance du mécanisme.

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8. Choix des montages effectués

Le premier montage à créer, était de fixer la roue denté permettant la transmission

du couple sur la roue de l’hippomobile. La première solution imaginer était de changer

les disques de frein, pour les remplacer par une roue disque dentée. Ceci avait de

nombreux points positifs : la matière du disque d’origine et du disque denté (pris sur le

catalogue ‘Prud’homme’) était la même. La largeur et le diamètre correspondait. Mais

deux problèmes se sont posés : Il y avait un risque que l’huile de la chaine coule sur la

partie frottant du disque, et le problème le plus important, est que la chaine ne pouvait

pas passer à l’intérieur de l’étrier de frein, sans avoir recours à des usinages trop

couteux. Il a donc été décidé de placer une roue denté entre la pièce faisant la liaison

entre le disque et la roue de l’hippomobile. Ceci présente deux avantages majeurs : La

mise en place est très facile, et la pièce finale a un coût très avantageux.

Ensuite il a fallut savoir où positionner le moteur. Le premier critère fixé a été de

faire en sorte que le moteur soit le plus près possible de la roue denté, de sorte a éviter

les porte-à-faux, et de faire un module compacte a chaque roues. J’ai ensuite éliminé le

positionnement au dessus de l’arbre des roues, car le moteur se serait retrouvé dans la

suspension et les fixations du pare-boue.

Puis j’ai éliminé le positionnement à l’arrière de l’arbre des roues, car c’est là que

se trouve l’étrier de frein. J’aurai été contraint d’éloigner l’entraxe, entre l’axe du

moteur et l’axe de l’arbre des roues, dû à la collision éventuelle entre le réducteur (fixé

en bout du moteur) et le disque de frein.

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Pour ce qui est de mettre le moteur en dessous de l’arbre des roues, cela c’est

révélé possible, a condition de définir une hauteur minimum du moteur afin qu’il y est

le moins de risque possible de collision entre le moteur et les différents obstacles des

parcours effectués par l’hippomobile. La position idéale est donc de mettre le moteur

sur l’avant de l’arbre des roues.

(Moteur en position finale)

Ensuite il a fallut trouver un système permettant de régler la tension de la chaine.

Mais très vite je me suis orienté sur un système comportant deux plaques positionnées

en vé par un pivot, et une tige fileté, faisant varier l’angle entre les deux plaques, ce

qui fera en même temps varier l’entraxe (moteur et arbre de roue). Cette solution est

inspirée des systèmes de tendeur de courroie sur les voitures.

Puis pour des raisons de coût d’usinage, j’ai essayé de faire le même système avec

une tôle plié. Ceci aurait évité l’achat de deux charnières par moteur. Il aurait fallut,

pour tendre la chaine, maintenir le vé comprimé pendant l’installation de la chaine, et

le relâcher une fois la chaine installé, ce qui aurai tendu la chaine, grâce au retour

élastique.

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9. Dimensionnement :

Mais pour pouvoir valider le système, il nous a fallut faire plusieurs calculs.

En premier les calculs de pliage :

Hypothèses :

- Tôle de 3mm d’épaisseur maximum, pour comprimé aisément l’angle lors du

montage de la chaine.

- Rayon du pliage : 10mm

- Angle : 50°

Calculs :

A% =

L’A% trouvé nous permet de choisir un acier ou un aluminium standard.

J’ai ensuite calculé les forces en action sur la tôle, pour pouvoir faire un calcul d’éléments

finis. Pour cela j’ai modélisé l’arbre (moteur) en statique, et j’ai appliqué la force dû au brin

dur de la chaine. (A représente l’appui du moteur, B représente l’appui du réducteur, et C

représente l’endroit où s’applique la force de la chaine).

Calcul du brin dur de la chaine : F = C R

F = = 1225.5N

Réduction en A :

^ + ^ =

^ + ^ =

64. .YB – 234.1 = 0

YB = 3657.4N

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Réduction en B :

^ + ^ =

^ + ^ =

-64. .YA – 155.6= 0

YA = 2431.25

Calcul des efforts dû au couple du moteur :

Le point C représente l’axe du moteur (vue de face), les points A et B représentent les points

de fixation du moteur sur la ‘plaque 2 tendeur’ (voir nomenclature).

En A :

Mc + ^ =

+ ^ =

36 + 124 XB = 0

XB = -290.3N

Le problème est symétrique donc XA = -XB

XA = 290.3N

Grâce aux calculs statiques précédents j’ai pu modéliser en éléments finit toutes les forces

extérieur en présence sur la tôle.

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On constate que 3mm d’épaisseur est insuffisant pour cette pièce. Après avoir changé

l’épaisseur sur le logiciel d’élément finit je me suis rendu compte que la tôle avait une

contrainte maximale pouvant être supporté seulement par l’acier, à partir de 5 mm d’épaisseur.

Cependant, un des objectifs du kit électrique, est qu’il doit être facile d’installation, ce qui

veut dire sans outillage spéciaux. Ce qui n’est pas le cas si la plaque a une épaisseur égale ou

supérieure à 5 mm. Car plié la plaque pendant le montage de la chaine se révèle dans ce cas

très compliqué, en vu de l’effort à appliquer.

Je suis donc retourné à la première solution qui consiste à mettre deux charnières ayant

chacune une longueur de 130mm avec un axe de 10mm. Cette solution coute plus chère, mais

offre une facilité d’installation ainsi qu’une facilité de réglage incomparable.

Ensuite il a fallut fixer tout le système trouvé précédemment, sur l’axe des roues. Pour

cela, il a fallu faire en sorte d’éviter les collisions entre les différents éléments fixés sur l’arbre

des roues (suspension, pare boue, disque de frein). C’est pour cela que la plaque est fixée de

sorte à ne pas dépasser la partie haute de l’arbre moteur. Il a était obligatoire de faire un

évidement permettant le passage de fixation de la suspension.

Le système des 3 vis en U permet de bien, repartir la charge subi par l’arbre des roues.

De plus une fois le système desserré, on peut le faire coulisser pour aligner le pignon avec la

roue dentée. Cependant sur certaines hippomobiles comme celle que nous avions à disposition,

il faudra remplacer un boulon par un soudage à cause du manque de place.

Le plus gros défaut apparent du système, est le porte-à-faux de l’ensemble pignon-

réducteur. Le porte-à-faux est de 155mm, pour un diamètre du réducteur de 105mm ce qui

créé un rapport de longueur sur diamètre de 1,5. On peut donc en déduire que la déformation

sera minime. (J’ai pas put faire une analyse par éléments finis, car le réducteur est pris dans le

commerce, et il me manqué beaucoup trop de côtes pour le modéliser).

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Illustration des explications précédentes :

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10. Partie électrique

Pour la partie asservissement, il fallait plusieurs modules :

- Détecter l’effort du cheval afin de l’aider au meilleur moment,

- Traiter l’information de l’effort ; démarrer ou non le moteur suivant l’effort,

- Gérer l’alimentation du moteur, et l’inverser si besoin.

Le seul endroit qui récupère les deux efforts du cheval se trouve sur le palonnier de la calèche.

J’ai d’abord pensé que les capteurs étaient la bonne solution, malheureusement la gamme de

capteurs est très grande. Voici quelques exemples qui ont le plus attiré mon attention :

- Les capteurs photoélectriques sont des capteurs de proximité. Cela posait le même

problème qu’avec les capteurs de position puisque j’aurai mis un émetteur avec

plusieurs récepteurs (ou réflecteurs) à des distances équivalentes. De plus ces capteurs

ont un temps de réponse assez élevé.

Position3

Position2

Position1

Emetteur

Emetteur

- Les capteurs inductifs produisent un champ magnétique à l’extrémité

de leur tête pour détecter tout objet métallique. La calèche étant faite

en acier, le capteur aurait été sollicité en permanence. Aussi ce

système a une étendue de mesure assez faible, est sensible aux autres

champs extérieurs et est assez onéreux.

- - Les capteurs de position sont des capteurs de contact

délivrant une sortie tout ou rien or le système doit

être asservi et l’information à l’entrée doit être

linéaire,

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- Les capteurs analogiques de position appelés aussi capteurs linéaires sont plus adaptés

à notre étude. La linéarité du capteur est proportionnelle à sa course ; c'est-à-dire plus

la course est importante meilleure sera la linéarité. Il existe des capteurs de ce type

adapté pour un environnement extrême mais ces capteurs sont destinés à être montés

sur des actionneurs à déplacement linéaire (pédale, vérin,…).

- Dans la même gamme, j’ai trouvé les capteurs linéaires intégrés. Ils sont donc intégrés

dans des vérins hydrauliques ou pneumatiques, uniquement pour des applications

d’asservissement. Ils sont protégés des contraintes extérieures (chocs, température,…).

Cela parait être la bonne solution si on rajoute un circuit hydraulique ou pneumatique

pour alimenter le vérin. Or on aimerait un système léger, facile à monter, et qui ne

rajoute pas plus de modules.

Après avoir fait le tour des capteurs, je me suis aperçue que ce n’était pas la solution que

l’on attendait donc j’ai continué mes recherches. Mon tuteur, me voyant égarée, m’a parlé

d’une étude qu’avait faite l’INSA pour justement récupérer la valeur de l’effort d’un cheval.

J’ai affiné mes recherches et suis tombée sur cette étude, les élèves s’étaient servis d’un

dynamomètre pour évaluer l’effort musculaire.

Le concept parait réalisable, donne l’effort en temps réel et a une sortie analogique. Nous

placerons donc un dynamomètre sur le palonnier pour détecter l’effort. J’ai défini les

conditions suivantes : si la valeur est égale à zéro, la calèche est dans une descente et doit être

freinée, sur le plat la valeur sera égale à une valeur α qu’il faudra enregistrer et qui sera prise

- Les capteurs capacitifs sont des capteurs de proximité qui

détectent tout type d’objets à courte distance grâce à un

condensateur. Ce produit aurait été le mieux adapté puisqu’il

résiste à l’environnement industriel (atmosphère polluée) et

qu’il est étanche car recouvert de résine. Mais on retrouve

encore le problème de la sortie en tout ou rien.

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en référence puisque si la valeur dépasse la valeur α, la calèche sera en montée et doit être

aidée.

A la suite du dynamomètre, il faut placer un module permettant de traiter les

informations données par celui-ci et gérer l’alimentation du moteur en fonction de ces

données. Mes connaissances en électricité étant limitées, je ne sais pas si les solutions

retenues sont les mieux adaptées. J’ai pensé à deux modules possibles soit un relais, soit un

API.

Un relais électromécanique est chargé de transmettre un ordre de la partie commande,

ici un dynamomètre, à la partie puissance, ici le moteur à courant continu.

Un API est un automate programmable industriel qui envoie des ordres vers les

préactionneurs (partie opérative ici le moteur) à partir de données d’entrées (partie commande

ici le dynamomètre) et d’un programme informatique.

L’intérêt de ce module est d’alimenter le moteur de façon proportionnelle à la force

mesurée et de gérer l’inversion du sens de rotation du moteur. Si la valeur reçue par la partie

commande est égale à zéro, l’API envoie l’ordre à l’inverseur de changer la polarité du

moteur et de le faire tourner dans le sens contraire. Si la valeur est supérieure à la valeur α,

alors l’inverseur rechange la polarité du moteur, sous ordre de l’API, qui tourne cette fois en

sens direct.

Les valeurs mesurées et traitées sont envoyées à un inverseur qui, suivant l’ordre

envoyé, inverse ou non le sens de rotation du moteur. La marque TROMBETTA proposait

plusieurs inverseurs.

Pour l’alimentation du moteur, je peux utiliser soit une batterie de 48V ou deux

batteries de 24V. J’ai préféré placer deux batteries de 24V. La marque la plus connu dans les

batteries pour véhicule électrique est la marque TROJAN.

Caractéristique des batteries choisies :

Tension Dimension Poids

112 Kg

Les batteries seraient placées sous le palonnier de la calèche (comme ci-dessous) dans

un caisson prévu à cet effet pour respecter la contrainte d’esthétisme.

Et en faisant mes recherches, j’ai découvert un relais inverseur ce qui

permettrait d’associer deux modules et d’éviter les interfaces. Mais

est-ce que ce module fonctionne linéairement ?

Suivant la force lue en entrée, l’API demande plus ou

moins de puissance au moteur. Je sais que l’API ne fonctionne

qu’en binaire donc incompatible avec le choix du dynamomètre.

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La calèche, devenant un véhicule motorisé, devra être équipée de la signalisation

nécessaire sur route c'est-à-dire les feux stop, les clignotants et les feux de route.

L’ensemble des modules électriques a été choisi à partir de produit déjà existants.

L’étude a juste été abordée, il faut la finir en respectant le schéma suivant :

11. Etude supplémentaire

Durant l’étude, nous avons eut l’idée de mettre tout le système sur le train avant,

de sorte à le transformer en un système tracteur (option éventuelle du système). En

effet l’idée est de faire une partie avant amovible, de sorte a pouvoir l’atteler sur une

partie remorque différente (comprenant le plateau et les roues arrières) suivant la tache

à effectuer (ramassage des ordures ou transport de personnes).

Actuellement le système permettant la liaison entre l’ensemble tracteur et la

remorque, se fait grâce à deux plateaux créant un appui plan, qui sont maintenu par

quatre vis, créant la liaison encastrement. Il faut donc remplacer le système des vis par

Batteries

Batteries

Moteur

électrique Régulateur

Inverseur Dynamomètre

Batteries

Freiner

Accélérer

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un système remplaçant les vis par quatre axes clavettés, permettant un assemblage

rapide.

Mais la partie qui pose le plus problème est les freins. En effet, actuellement les

hippomobiles sont conçut avec un système de freinage similaire a celui des véhicules

agricoles. Car jusqu'à aujourd’hui les conducteurs des hippomobiles utilisaient les

freins de l’hippomobile pour ne pas faire forcé le cheval pendant les descentes. On

retrouve donc deux pédales de frein : la première freine les roues avant, et la deuxième

freine les roues arrière, avec un seul vase d’expansion pour les deux circuits

hydrauliques. L’idée est de ne pas augmenter le nombre de pédale sur l’hippomobile

pour ne pas compliquer le travail du chauffeur. On utilisera une pédale commandant le

frein moteur, et une pédale commandant les freins à disque.

La commande des freins à disque va donc changer, de plus il faut faire un système

permettant de séparer l’avant et l’arrière de l’hippomobile, sans poser de problème

dans le circuit hydraulique des freins. Il se trouve indispensable de séparé le circuit des

freins avant et le circuit des freins arrières, ce qui implique deux vases d’expansion.

J’ai ensuite pensé a utiliser une partie électrique pour commander les freins, car il est

plus simple de débrancher de l’électrique plutôt que de l’hydraulique. Ce qui donne le

schéma suivant.

(Actuellement seulement l’étude de principe a été faite.)

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ANNEXES

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Kit d’assistance électrique

pour véhicule hippomobile

Notice d’installation du système

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Sommaire :

I) Installation de la roue dentée……………………..…………………… P.38

II) Assemblage réducteur et pignon………………………………….…… P.39

III) Installation des moteurs……………………………………………..… P.40

IV) Installation des batteries………………………………………….…… p.45

V) Annexe (nomenclature, vue éclatée)………………………………….. p.46

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I) Installation de la roue dentée

- Surélever l’avant de la calèche de tel sorte que les roues avant ne touchent plus le sol.

- Dévisser le cache sur la roue comme montrée ci-dessous. Dévisser les 4vis situées à

l’intérieur du moyeu. Puis enlever la roue.

- Vous devez apercevoir une pièce intermédiaire qui tient le disque de frein. La roue

dentée va venir se fixer sur cette pièce, insérer la roue dentée sur l’arbre apparent.

- Faites tourner la roue dentée jusqu’à ce que les trous des vis correspondent avec les

trous de la pièce intermédiaire.

- Remonter la roue de la calèche sur son arbre, placer la roue de telle sorte que les trois

trous coïncidents. Revisser la roue puis le cache.

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II) Assemblage moteur et pignon

- Il faut d’abord assembler le moteur et le réducteur. Pour cela insérer l’arbre du moteur

dans l’alésage prévu à cet effet que vous trouverez sur un coté du réducteur.

- Effectuer la

même opération

pour l’autre roue

de la calèche.

ATTENTION

Veiller à insérer la clavette dans

l’emplacement prévu.

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- Une fois insérée, visser le réducteur au moteur à l’aide les quatre vis diamètre 8mm

vendu avec le kit.

- Prendre le pignon (pièce N°), le placer sur l’arbre du réducteur. Insérer la goupille à

l’aide d’une masse en faisant attention à mettre les trous, prévu à cette effet, bien en face.

III) Installation des moteurs

- Prendre le tendeur (pièce N°), la placer de telle sorte que le tendeur soit placé sur l’avant

de la barre de direction et que l’évidement carré se situe sous la suspension de la calèche

comme ci-dessous.

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- Prendre deux attaches en U (pièce N°), elles vont servir à attacher le tendeur sur la barre

de direction de la calèche comme ci-dessous.

- Enfin prendre les rondelles (pièce N°) et visser les écrous (pièce N°) sur les attaches en

U.

- Faire la même

opération sur

l’autre coté de

la calèche.

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- Prendre les gonds (pièce N°), placer le coté le plus court sur le tendeur que vous venez

d’installer. Puis visser les gonds à l’aide des quatre vis diamètre 8 mm.

- Prendre le bloc moteur, monté précédemment, et le deuxième tendeur (pièce N°), visser

le bloc moteur sur le tendeur dans les trous indiqués ci-dessous.

- Le bloc moteur ainsi monté va venir se fixer sur l’autre coté des gonds. Placer le pignon

au même niveau que la roue dentée en ayant les quatre trous des gonds vers le bas.

Visser le bloc moteur à l’aide des vis diamètre 8 mm.

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- Placer la chaine (pièce N°), entre la roue et le pignon, une fois la chaine installée faire

basculer le moteur jusqu’à ce que la chaine soit tendu.

- Faire la même

opération sur

l’autre coté de

la calèche.

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- Prendre le soutient du réducteur (pièce N°), le placer sur le réducteur de la façon

suivante : il faut que le repli de la pièce soit du coté de la roue, que la pièce soit attaché

sur la réducteur coté moteur, et qu’elle soit attachée avec les rondelles (pièce N°) et les

vis diamètre 8 mm.

- Refaire le même assemblage sur le coté de la calèche pour obtenir ceci :

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IV) Installation des batteries

- Prendre les barres prévues pour tenir le caisson des batteries (pièce N°), les placer sur

l’avant du palonnier de la calèche.

- Prendre le caisson des batteries (pièce N°),

le visser aux barres avec les huit vis de

diamètre 8 mm comme ci-dessous.

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I) Annexe

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Nomenclature du système

Quantité Référence Type Numéro

1 arbre Pièce 1

2 pièce attache disque Pièce 2

2 disque Pièce 3

2 étrier Pièce 4

2 roue calèche Pièce 5

2 suspension Pièce 6

1 plateau Pièce 7

2 moto réducteur Assemblage

1 pare boue Pièce 8

1 tendeur gauche Pièce 9

2 roue Pièce 10

1 tendeur droit Pièce 11

2 pignon Pièce 12

2 tige tendeur Pièce 13

8 attache U Pièce 14

1 plaque de mesure Pièce 15

6 attache U 45 Pièce 16

16 écrou Pièce 17

4 attache tendeur Pièce 18

6 rondelle d9 D18 Pièce 19

38 écrou de 13 Pièce 20

8 vis roue Pièce 21

8 vis disque Pièce 22

28 vis accoupleur Pièce 23

2 soutien réducteur Pièce 24

1 tendeur droit Pièce 25

4 charnière Assemblage

1 tendeur Pièce 26

1 goupille Pièce 27

2 attache caisson Pièce 28

1 caisson Pièce 29

8 vis caisson Pièce 30

Nomenclature de motoréducteur

Quantité Référence Type Numéro

1 moteur Pièce 31

1 réducteur P.81 C.105 Pièce 32

Nomenclature charnière

Quantité Référence Type Numéro

1 gond Pièce 33

1 gond2 Pièce 34

1 tige gond Pièce 35

Récapitulatif sur avant

Pièces différentes : 35

Total des pièces : 176

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GOUMARRE Jean-Félix

Stage DUT 2007

Directeur de l’entreprise : M.LEJOSNE

Lieu du stage : Venelles

Tuteur industriel : M.LEJOSNE

Tuteur universitaire : M.LECHTEN

Résumé du projet de stage : Suite à la hausse du prix du pétrole, et à l’importance que représente l’écologie dans le

monde actuel, que certaines personnes on eut l’idée de réimplanter le cheval dans nos villes et

villages. C’est pour cela que M.CHANOUX a pensé à concevoir une hippomobile hybride

afin de facilité la réimplantation du cheval en l’associant avec des technologies actuelle. Nous

avons pour cela fait l’étude mécanique de système, par l’intermédiaire de l’entreprise Protect

Forest.

Nombre de pages du rapport : 34

Nombre de pages des annexes : 24