Embed Size (px)
Citation preview
Soyez les Bienvenus
Université sidi Mohammed Ben AbdallahFaculté des Sciences et Techniques de Fès
Département Génie Mécanique
Choix des matériaux : La fourche de vélo ( VTT)
2Année universitaire : 2011/2012
Choix des matériaux par la méthode d'Ashby
Conclusion sur le choix de matériaux :
Etude de la Fourche VTT
Conclusion
Introduction
Introduction
Plan
3
Introduction
Elles sont constituées d’un tube (pivot) sur lequel viennent se fixer deux fourreaux qui se terminent par deux pattes (support de l’axe de roue). La réunion du pivot et des fourreaux se fait soit par soudure soit par l’intermédiaire d’une pièce ou deux qui assurent plus de rigidité à la fourche à suspension (simple ou double T).
La fourche se compose de plusieurs parties :
La fourche est un composant du vélo qui constitue le lien entre le cintre et la roue avant.
Elle permet de diriger le vélo.
4
Introduction
Le fonction-nement
du fourche :
Donner la direction.
Supporter une partie du poids total appliqué sur le cycle.
Amortir les chocs et les vibrations provoquées par les inégalités du sol.
Résister aux efforts provoqués par le couple de freinage.
5
Introduction
Les matériaux des fourches évaluent avec le temps
Bois Acier Aluminium Titane
Composites à fibres
de carboneFabrication du
fourche de vélo VTT
Rigide
Monobloc
Coudée Droite
Suspendue
Les formes des fourches évaluent avec le temps
Fabrication du fourche de vélo
VTT
Les matériaux d’aluminium et les composites de carbone avec la
structure d’une fourche suspendue sont les plus utilisés et sophistiqués
6
Introduction
7
Les différents types de fourches
Les fourches rigides
Une fourche rigide est constituée de 2 parties : le pivot et le fourreau. Les 2 parties sont liées par une liaison encastrée.
elles sont faciles à alléger et qu'aucune partie de celles-ci n'est en mouvement relatif par rapport au reste de la fourche.
Introduction
8
Les différents types de fourches
Les fourches suspendues
Introduction
9
Les différents types de fourches
Les fourches spéciales
Ces fourches constituent les nouvelles technologies pour atteindre les besoins spécifique des cyclistes. Elle sont développées par des marques particulières, donc elles ne sont pas standardisées et donc souvent pas compatibles d'un vélo à l'autre.
Etude de la Fourche VTT
Enoncé fonctionnel du besoin
Sollicitations lors d'un saut en VTT
Cahier des charges
matériaux
But de l'étude
Cette étude fait pour étudier le choix des matériaux d'une fourche. Tout d'abord précisons qu'il s'agit d'une fourche de VTT de descente. C'est une discipline très exigeante, car la fourche subit de très nombreuses sollicitations. Ainsi la fourche étudiée sera à double "té", mais ce ne sera pas une fourche dite "inversée".
Le mouvement relatif entre les plongeurs et les fourreaux doit être suffisant, continu et il devra y avoir un joint entre ces deux parties.
Les plongeurs devront bien s'enfoncer et non fléchir (bonne raideur) dans les fourreaux lors d'un choc .
Les différentes parties constituant la fourche devront s'assembler correctement sans engendrer de zones de frottement.
Elle devra avoir une masse inférieure à 4 kg.
La fourche doit être adaptable à tout VTT de descente et doit amortir les chocs que subit la roue, pour amoindrir l'intensité de la sollicitation dans les bras du pilote, dont le poids, équipement compris, sera égal à 100 kg.
La fourche doit pouvoir être utilisée et stockée dans des conditions environnementales éventuellement défavorables : humidité et températures négatives (jusqu'à -30°C) ou élevées (jusqu'à 60°C).
Elle ne devra pas être trop vulnérable aux chocs liés à son utilisation.
Le procédé de fabrication doit aboutir à des formes voulues (tube,…).
Nous supposons que le VTT est capable de résister à un saut d’une hauteur précis et c’est nous supposons que c’est la roue avant qui touche d’abord le sol.
Donc l’énergie potentielle gravitationnelle est consommée à la fois par l’amortissement de la fourche et la déformation de la roue avant.
Etotale= Eamortissement+ Eroue+ Eperte
Dont Eperte= 10%Etotale
Pour calculer l’énergie absorbée par l’amortissement, nous simplifions le système comme ressort. La rigidité du ressort est définie par le rapport de la force appliquée et le déplacement produit :
Eamortissement=1/2 KLprolongueur2 ( j )
De même façon, nous calculons la force appliquée sur la fourche :Etotale – Eamortissement= Eroue = FΔL
CDC objet Action possible sur la géométrie
CDC matériaux
Critères communs à tous les éléments constitutifs de la fourcheBonne raideur des plongeurs et des fourreaux Diamètre du tube important Module de Young élevé
Bien résister aux gros chocs Diamètre du tube importantAjout de renforts
Bonne ténacité
Conditions environnementales défavorables Ajout d’un élément de protection Resistance à la corrosionResistance à la températures
Procédé de fabrication doit aboutir à des formes voulues
Bonne formabilité (tube)
Critères concernant les fourreauxBien résister aux petits chocs liés à des pierres,.. Ajout d’éléments de protection Dureté importante (traitement de
surface)
Critères concernant les PlongeursFavoriser le mouvement relatif entre les fourreaux et
les plongeurs sans engendrer de dégradationAjout de soufflets de protection Resistance à la friction(traitement de
surface) Rugosité faible 10
Choix des matériaux par la méthode d'Ashby
Stratégie du choix des matériaux
11
Tous les matériaux
Appliquer les limites de propriété
Appliquer les indices de performance
Sous groupe de matériaux
Choix final du matériau
Information complémentaire
Choix des matériaux par la méthode d'Ashby
Indices de Performance
1fonction : Quelle est la
fonction de la pièce ?
2astreintes
:Quelles sont
les conditions incontournables ? Quelles
sont les conditions
négociables ?
3objectif :Quelles sont la quantité à maximiser ou minimiser ?
Procédure du choix des matériaux
12
Choix des matériaux par la méthode d'Ashby
Indices de Performance
Le pivot - la flexion
la compression
le Cisaillement
Les plongeurs
la compression
Les fourreaux
la flexion
la compression
Les deux tés
la la flexion
flexion
Modes de sollicitation
13
Choix des matériaux par la méthode d'Ashby
Les fourreaux, le pivot et les plongeurs sont considérés comme des tubes. Chaque tube peut subir la flexion, la compression et le cisaillement en fonction des différentes parties de la fourche.
Le té de la fourche de VTT est considéré comme une poutre de section carrée.
Indices de Performance
Simplification de la géométrie
14
Choix des matériaux par la méthode d'Ashby
Tube en flexionTube en compressionTube en cisaillementTube en flexion trois points
L’objectif de l’indice de Performance
Indices de Performance
15
Choix des matériaux par la méthode d'Ashby
Justification des critères limites
Le logiciel CES selector permet d'obtenir les matériaux qui répondent aux critères recherchés lors de l'étude. Il suffi t de rentrer les indices de performance à maximiser pour avoir une sélection de matériaux grâce à la translation de la droite. Il est aussi possible de définir des valeurs limites pour certains paramètres ou d'imposer des contraintes plus ou moins strictes sur certains aspects tels que le pourcentage maximum d'un élément s'il s'agit d'un alliage, la masse volumique maximale ou minimale, ...
16
Choix des matériaux par la méthode d'Ashby
Récapitulatif des indices de Performance et des conditions limites
Indices de Performance
17
Choix des matériaux par la méthode d'Ashby
Cartes de sélection
Ce sont des cartes permettant la vision d’ensemble des matériaux permettant une sélection graphique
Comment Exemple : E=f()))1- à l’aide de CES selector on trace une carte E en fonction de 2- sur cette carte on positionne la droite de performance
18
Donc la pente de la droite est 1
Choix des matériaux par la méthode d'Ashby
19
Aperçu sur CES edupack
Présentation du logiciel
20
Aperçu sur CES edupack
Présentation du logiciel
21
Dans une première approche, le logiciel peut être vu comme une base de donnée de propriétés de matériaux, qui peut être étendue par des ressources sur le web "certaines incluses" dans le logiciel, d'autres payantes.
Dans une seconde approche, des outils permettant de visualiser sous forme de cartes des propriétés de l'ensemble des matériaux de la base de donnée choisie sont proposés. Ils permettent de comparer les matériaux entre eux. Des outils de sélection de base sont d'une utilisation facile : soit par sélection sur des critères, soit à partir des cartes
Aperçu sur CES edupack
Bases de données
22
Tous les principaux matériaux sont présents ou représentés par des matériaux proches. Même des matériaux non usuels tels que le papier, l'os, etc. sont présents.
Une classification par grandes familles, sous familles, ... permet de retrouver rapidement la fiche du matériau recherché, ou un matériau proche
Toutes les propriétés volumiques sont renseignées, soit parce qu'elles étaient disponibles, soit parce qu'elles ont été estimées. Ainsi, la base de données ne comporte pas de "trou".
Pour certaines catégories de matériaux, des propriétés complémentaires sont disponibles (sur les bois, les polymères, les aciers à outils, les alliages magnétiques, ...).
Aperçu sur CES edupack
Cartes de propriétés
23
Par défaut, les axes sont en coordonnées logarithmiques. Attention donc aux échelles, qui peuvent représenter plusieurs ordres de grandeur * Un code de couleurs permet de distinguer les grandes classes de matériaux : rouge pour les métaux (sauf les aciers, en bleu-vert foncé),
vert foncé pour les bois,vert fluo clair pour les mousses de polymères,bleu vif foncé pour les polymères (sauf élastomères),bleu clair pour les mousses métalliques et les élastomères,bleu foncé pour les mousses de céramiques,brun pour les composites,brun vert pour les céramiques, sauf les céramiques techniques et
les verres en rose fushia.
Choix des matériaux par la méthode d'Ashby
Les diagrammes d'Ashby pour VTT
Diagrammes d'Ashby pour fourreaux, plongeurs et pivotIndice de performance σy/ρ
24
Sélectionnez l’Univers des Matériaux:Niveau2,Matériaux
Choix des matériaux par la méthode d'Ashby
Les diagrammes d'Ashby pour VTT
Diagrammes d'Ashby pour fourreaux, plongeurs et pivotIndice de performance σy/ρ
25
Faites un graphique en bâton de la limite élastique(σy), sur l’axe des y
Utilisez la boîte de sélection pour déterminer les matériaux à limite élastique élevée
Choix des matériaux par la méthode d'Ashby
Les diagrammes d'Ashby pour VTT
Diagrammes d'Ashby pour fourreaux, plongeurs et pivotIndice de performance σy/ρ
26
Ajoutez, sur l’autre axe, la masse volumique(ρ) (Pour cela: On sélectionne Stage1 dans la zone "Sélection Stages", et on clique sur Edit; ou double cliquez sur l’axe x pour l’éditer)
Choix des matériaux par la méthode d'Ashby
Les diagrammes d'Ashby pour VTT
Diagrammes d'Ashby pour fourreaux, plongeurs et pivotIndice de performance σy/ρ
27
On Remplace le rectangle par une sélection par une droite pour trouver les matériaux à “résistance spécifique ”élevée (σy/ρ)
Choix des matériaux par la méthode d'Ashby
28
Les diagrammes d'Ashby pour VTT
Indice de performance E/ρ
On suit les mêmes étapes que le premier diagramme sauf on remplace σy par E
Choix des matériaux par la méthode d'Ashby
Liste des matériaux pour fourreaux, plongeurs et pivots
29
Choix des matériaux par la méthode d'Ashby
30
Les diagrammes d'Ashby pour VTT
Diagramme d'Ashby pour le Té:Indice de performance σy/ρ
Choix des matériaux par la méthode d'Ashby
31
Les diagrammes d'Ashby pour VTT
Indice de performance E/ρ
Choix des matériaux par la méthode d'Ashby
Liste des matériaux trouvé pour le té
32
Conclusion sur le choix de matériaux
Si le prix était un facteur déterminant pour un usage courant, nous aurions choisi l'acier. Mais selon notre cahier des charges, nous nous sommes intéressés à des fourches haut de gamme et performantes destinées à la compétition. Donc nous avons sélectionné les matériaux suivants pour la fourche de VTT :
- té en composite à fibres de carbone et à matrice epoxy - fourreaux, plongeurs, pivot en alliage d'aluminium 7075
33
Conclusion
Les matériaux qui découlent de l'étude pour la fabrication des fourches de VTT correspondent bien aux matériaux qui constituent les fourches du marché. Nous avons vu que le choix des matériaux est un compromis entre différents facteurs qui sont imposés par le cahier de charge en prenant en compte l'utilisation réelle.
34
Merci Infiniment
pour votre
attention
35
