Variateur de vitesse zero-maxemanuel.perreau.free.fr/Variateur/Variateur de vitesse 0... · Web viewVariateur de vitesse zero-max 17/06/2008 Etude d’un variateur zero-max dans le

Variateur de vitesse zero-max

17/06/2008 Etude d’un variateur zero-max dans le cadre du projet de fin de première année

Nous allons dans ce rapport étudier le variateur de vitesse « zero-max » conçu par la société américaine Zero-Max et distribué par Unicum.


SommaireVariateur de vitesse zero-ma

xANALYSE COMPARATIVE.............................................................3Objectif en terme de compétence de niveau III et de savoir faire (professionnalisation)................................................................................3Programme...............................................................................................3Recommandation pédagogique................................................................3

BÊTE À CORNES.........................................................................4DIAGRAMME PIEUVRE.................................................................4DIAGRAMME FAST......................................................................5MÉTHODE TRI-CROISÉ................................................................6CAHIER DES CHARGES................................................................71. Présentation générale du problème......................................................72. Expression fonctionnelle du besoin.......................................................73. Cadre de réponse..................................................................................7

Etude approfondie du systèmePRÉSENTATION GÉNÉRALE..........................................................9LE FONCTIONNEMENT...............................................................11ANALYSE CINÉMATIQUE : ETUDE SUCCINCTE..............................12Etude géométrique du système de quatre barre P1P2P3P4....................12Calcul dans le repère P1x1y1 :................................................................12Etude géométrique du système de quatre barres P4P3P5P6..................13

LES SOLUTIONS TECHNOLOGIQUES RETENUES...........................16Le carter..................................................................................................16Vis de fixation.......................................................................................16Joint plat................................................................................................16

Huile de lubrification...............................................................................16Huile......................................................................................................17

Etanchéité Arbre – Carter........................................................................17Joint torique...........................................................................................17

Liaison Arbre – Carter..............................................................................17Système de variation..............................................................................18Vitesse de rotation en sortie : 0 trs/min................................................18Vitesse de rotation en sortie : ¼ de la vitesse d’entrée........................18Roue libre de l’arbre de sortie...............................................................20

Page 1


MODE DE MISE EN FORME, LES MATÉRIAUX...............................21Le carter..................................................................................................21Les coussinets.........................................................................................21Arbre d’entré et de sortie........................................................................21Cames et bielles......................................................................................21

ASSEMBLAGE...........................................................................22Pré-montage du carter............................................................................22Pré-montage du système de variation....................................................22Assemblage finale...................................................................................22

Mécanisme similaireRÉDUCTEUR A ENGRENAGE.......................................................23VARIATEUR DE VITESSE POUR MOTEUR ÉLECTRIQUE..................23VARIATEUR DE VITESSE (MÉCANIQUE).......................................24

Les alternativesSOLUTIONS TECHNOLOGIQUE...................................................25Roue libre................................................................................................25Matériaux composite...............................................................................25

AnnexesRÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES..............................................26

Page 2


Variateur de vitesse zero-maxP R É S E N T A T I O N G É N É R A L E

ANALYSE COMPARATIVEObjectif en terme de compétence de niveau III et de savoir faire (professionnalisation)

Analyser un système en autonomie : MaîtriserComparer un système à d’autres systèmes répondant aux mêmes fonctions : Maîtriser

ProgrammeAnalyser un système existant en étudiant :

Sa fonction globaleSes fonctions principalesLes solutions technologiques retenuesLes modes de mise en forme, matériaux.

Analyser un système existant en recherchant :Des mécanismes similairesD’autres solutions technologiques, matériaux et procédés pouvant satisfaire les fonctions du mécanisme (vieille technologie).

Recommandation pédagogiquePrésentation(s) du mécanisme en intégrant :

Un cahier des charges fonctionnelUne analyse cinématiqueUne analyse statiqueUne analyse des solutions technologiquesUne analyse des modes de réalisation des pièces (procédés, matériaux, assemblage …)

Page 3


Ecrit : rapport, poster, fiches …Oral : Relations avec l’expressionLangues : Abstract, présentation orale …L’équipe pédagogique définira les parties les plus intéressantes à développer. Il ne s’agit pas de vouloir tout étudier d’un système mais de développer l’esprit d’analyse comparative.

Page 4


Variateur de vitesse zero-maxC A H I E R D E S C H A R G E S

BÊTE À CORNES

DIAGRAMME PIEUVRE

Page 5

Utilisateur

Vitesse

Variateur de vitesse

Réduire la vitesse d’entrée

Variateur de vitesse


Fp1 : Faire varier la vitesse transmettre un coupleFc1 : Résister à l’environnement extérieurFc2 : Respecter les normesFc3 : Possibilité de raccorder le système à d’autres mécanismesFc4 : Rapidité de mise en œuvreFc5 : Coût raisonnableFc6 : Système autonomeFc7 : Ergonomie

DIAGRAMME FAST

Page 6


MÉTHODE TRI-CROISÉFC1 FC2 FC3 FC4 FC5 FC6 FC7 POINT %

FP1

FC1

FC2

FC3

FC4

FC5

FC6

Page 7


CAHIER DES CHARGES1. Présentation générale du problème1.1 Projet : Variateur mécanique à arbre excentriques et bielles1.1.1 Finalités : Transmettre un couple et faire varier la vitesse d’entrée en sortie

1.2 Contexte : Projet de fin de première année en DUT Génie mécanique et productique1.2.1 Situation du projet par rapport aux autres projets de l’entreprise : Aucune1.2.2 Études déjà effectuées : Aucune1.2.3 Études menées sur des sujets voisins : Conception d’un réducteur de vitesse1.2.4 Suites prévues : Aucune

1.3 Enoncé du besoin (finalités du produit pour le futur utilisateur tel que prévu par le demandeur) : Le produit doit, par l’intermédiaire de différentes solutions technologiques, réduire la vitesse d’entrée en sortie de 0 trs/min à ¼ trs/min de la vitesse d’entrée.

1.4 Environnement du produit recherché : Agriculture : semoirs, machines à planter, séchoir, distributeurs d’engrais… Alimentation : Commandes de distributeur, transporteur, machines à

trancher … Emballage : Marqueurs, distributeurs de colle, de peinture … Impression : Alimentation de papier, rouleaux encreur, couteaux … Laboratoire : Pompes doseuses, agitateurs, doseurs, distributeurs … Textile : Métiers à tisser, machines à coudre, machines à couper …

2. Expression fonctionnelle du besoin2.1 Fonctions de service et de contrainte2.1.1 Fonctions de service principales (qui sont la raison d’être du produit)

Fp1 : Faire varier la vitesse et transmettre un couple2.1.2 Fonctions de service complémentaires (qui améliorent, facilitent ou complètent le service rendu)

Fc1 : Résister à l’environnement extérieur Fc2 : Respecter les normes Fc3 : Possibilité de raccorder le système à d’autres mécanismes Fc4 : Rapidité de mise en œuvre Fc5 : Coût raisonnable Fc6 : Système autonome Fc7 : Ergonomie

2.2 Critères d’appréciation (en soulignant ceux qui sont déterminants pour l’évaluation des réponses) : Rendement, échauffement du système, fiabilité.

3. Cadre de réponse3.1 Pour chaque fonction3.1.1 Solution proposée

Fp1 : Système à arbre excentrique et bielles.

Page 8


Fc1 : Carter traité, usiné, solide et étanche. Fc2 : Ensemble normalisé. Fc3 : Arbre usiné (méplat), fixation par vis sur le bâti. Fc4 : Aucun réglage, système prêt à l’emploi, installation rapide. Fc5 : Matériaux peu chère, grande série. Fc6 : Système fiable, besoin de très peu de maintenance. Fc7 : Design, pas d’angle vif, couleur …

3.2 Pour l’ensemble du produit3.2.2 Options et variantes proposées non retenues au cahier des charges

Variateur de vitesse constitué de deux poulies et d’une courroie (variateur de scooter, mobylette)

Variateur de vitesse constitué d’engrenages (type boite de vitesse) 3.2.3 Décomposition en modules, sous-ensembles

Carter : 2 carters moulés Manette de réglage : Système de réglage par bielles Variateur de vitesse : Système de bielle, de roue libre et d’arbres

excentrique Arbre d’entrée : Usiné pour se relié à un autre mécanisme Arbre de sortie : Usiné pour se relié à un autre mécanisme

3.2.4 Perspectives d’évolution technologique : Nouveau matériaux (moins de frottement donc meilleur rendement, nouvelle technologie, système réversible, moteur intégré au système …)

Page 9


Etude approfondie du systèmeL E V A R I A T E U R S O U S T O U S S E S A N G L E S

PRÉSENTATION GÉNÉRALEUn variateur de vitesse est un système (dans notre cas, mécanique) qui

permet de faire varier le rapport de démultiplication de l’arbre d’entré vers l’arbre de sortie. Il existe pour ce problème plusieurs technologies :

Variateur de vitesse constitué de deux poulies et d’une courroie Photo 1 Variateur de vitesse constitué d’engrenages (type boite de vitesse) Photo 2 Variateur de vitesse à arbre excentrique et bielles Photo 3 …

Photo 1 Photo 2 Photo 3

Ces trois technologies sont actuellement encore utilisées dans différents domaines. Le variateur de vitesse constitué de deux poulies et une courroie est utilisé sur les scooters et les mobylettes. Le variateur de vitesse à engrenage est utilisé dans les voitures, les motos, tours d’usinage, fraiseuses … Il permet de transmettre de très grande vitesse de rotation et de très grand couple. L’inconvénient de celui-ci est l’usinage des arbres qui n’est pas facile. La dernière technologie est celle sur laquelle porte notre étude : le variateur de vitesse à arbre excentrique et bielles. Celle-ci ne comporte ni courroie, ni engrenage, elle est constitué d’un ingénieux système mettant en œuvre des cames, des arbres excentrique, des biellettes, une roue libre …

Avant de commencer l’analyse des solutions technologiques retenues et l’analyse cinématique, nous verrons d’abord dans un premier temps comment fonctionne le mécanisme, quelles sont ses différentes phases, ses particularités… Ce mécanisme a été créé et fabriqué par la société Zero-Max. Il existe tout une

Page 10


gamme de variateur zero-max (Model E, JK, Y, QX et ZX). Il faut savoir que l’arbre de sortie tourne, quelque soit le sens de rotation de l’arbre d’entrée, dans le même sens. Cependant, certain modèle possède une commande pour inverser le sens de rotation (Model E et JK). Nous possédons un model JK1&2. Celui-ci ne possède par d’inversion de sens de rotation de l’arbre de sortie. La puissance de celui-ci est de 0.25 KW.

Voici les avantages du variateur de vitesse zero-max : (D’après la société Unicum qui distribue le produit)

vitesse de sortie variable pour une vitesse d'entrée fixe. vitesse de sortie synchronisée aux vitesses d'entrée variables entraînement par toutes pièces tournantes en continu ou par intermittence. vitesse précise dans toute la gamme (mieux que 1%) démarrage depuis le zéro comme avec un embrayage. changement de vitesse rapide réglage de la vitesse en marche ou à l'arrêt. couple constant pour toutes vitesses d'entrée. fonctionnement en bain d'huile, sans entretien combinaison avec des réducteurs économiques montage en toute position dans toute ambiance bloc étanche, encombrement réduit

Ce système peut avoir une vitesse d’entrée maximum de 2000 trs/min (il est possible d’avoir des vitesses plus élevé suivant les utilisations et les modèles). De plus, le rapport de démultiplication de l’arbre d’entré varie de 0trs/min à ¼ trs/min de la vitesse d’entrée, soit environ 500 trs/min. Le couple reste constant quelque soit la vitesse d’entrée en marche continue.

Page 11


LE FONCTIONNEMENT Voici un schéma représentatif du système :

Cet appareil possède deux arbres principaux : Un arbre d'entrée et un arbre de sortie. Les deux arbres sont eu même reliés à des mécanismes extérieurs. En général l'arbre d'entrée est relié a un moteur qui fourni un mouvement de rotation. Ce mouvement de rotation va être réduit pour fournir en sortie une vitesse plus faible. Comme vu précédemment, il existe plusieurs technologies pour faire varier cette vitesse. Dans noter étude, la technologie utilisé est le principe "axe excentrique + biellette".

L’arbre d’entrée (ici E) reçoit un mouvement de rotation qui doit être transférer au point S par l’intermédiaire des bielles coudées. Ce mouvement doit aussi être réduit ! L’arbre E qui comporte des excentrique entraine les bielles coudées (ici fixé au point A) solidaire de l’arbre de sortie S (fixé au point B). Le mouvement est donc transmis par les bielles coudées. Mais alors, comment est-il possible que l’arbre S tourne dans un même sens de rotation et sans interruption sachant que le point B effectue des allées-retour ? On trouve entre l’arbre S et les cames de l’arbre S une roue libre, celle-ci a pour rôle de transformé le mouvement du point B en mouvement continu dans un seul sens de rotation. En effet, lorsque le mouvement de B va vers la droite, la roue libre est activée, c'est-à-dire que l’arbre ne tourne pas. Lorsque le mouvement de B revient vers la gauche, la roue libre effectue la liaison entre les deux et permet de transmettre le mouvement de rotation. Ainsi, grâce a plusieurs bielles coudées (dans notre système : 8 bielles coudées) le mouvement peut être continue car lorsqu’une bielle entraine l’arbre, une autre bielle revient à son « point de départ ». Dans le système, chaque bielles coudées est montée suivant un angle précis pour pouvoir répartir l’effort sur toute les bielles et non pas sur une seule !

La course constante du point A transmet au point B une oscillation d’amplitude variable suivant la position de C. En effet, la position de C permet de déterminer le rapport de démultiplication du système ! Nous rentrerons plus dans les détails pour la présence de cette bielle coudées qui permet le réglage de

Page 12


démultiplication dans la suite de l’étude (Cf. « Les solutions technologiques retenues »).

Le sens de rotation de l’arbre est déterminé lors du montage de la roue libre. De plus l’arbre de sortie peut être entraîné par la charge sans risque de détériorer le système car les roues libres entraînent que dans un seul sans de rotation.

Page 13


ANALYSE CINÉMATIQUE : ETUDE SUCCINCTEOn sait qu’il existe une relation approximativement linéaire entre la vitesse

d’entrée et la vitesse de sortie dans un mécanisme quatre barres pourvu que ses dimensions soient judicieusement choisies. La figure suivante schématise un variateur de vitesse composé de deux mécanismes de quatre barres reliées en série mettant à profit cette caractéristique. La manivelle P1P2 est l’entrée du variateur et P5P6 la sortie. La variation de la vitesse s’effectue en déplaçant le

point P4 qui peut tourner autour du point P7 grâce à la manivelle P7P4 représentée en pointillé.

Etude géométrique du système de quatre barre P1P2P3P4On note P1P2 = r1 ; P2P3 = l1 ; P3P4 = R1 ; P4P1 = d1 ; P1P7 = h ; P1P7 = l4

Calcul dans le repère P1x1y1 : La relation(1) qui lie les angles 1 et 2 s’écrit :

¿arccos ¿¿

La longueur d1 dépend du réglage donc de r. Dans P1XY, elle se donne par

d 1=√ x ²+ y ²

Avec P1P4 = P1P7 + P7P4 = ¿

Page 14


On déduit la situation des points :

P 1P2={x=r cosy=r sin

P1P3=P1P 4+P4 P3={x=x+R cosy= y+R sin

Pour situer ces points dans le repère P1XY on se servira des relations : x=cos X+sinY

y=−sin X+cosY

¿arctan yx

Etude géométrique du système de quatre barres P4P3P5P6La relation(2) qui lie les angles 1 et 2 s’écrit :

¿arccos ¿¿

On déduit sur la figure :¿++(3)

La longueur d2 dépend du réglage donc de r . Dans P1XY, elle se donne par :

d=√(Et−x )2+ y ²

On déduit ¿arctan ( yEt−x

)

On déduit la situation des points :

P1P5=P1P6+P6 P5={x=Et+R cosy=R sin

Pour situer ces points dans le repère P1XY on se servira des relations :

{x=cosX−sinYy=sin X+cosY

Les relations (1), (2), et (3) permettent de calculer l’angle dont a tourné la manivelle de sortie P5P6 en fonction de l’angle dont a tourné la manivelle d’entrée P1P2. Sous fourme analytique, l’écriture en est très compliquée. Les figures suivantes montrent la loi entrée-sortie du mécanisme et les positions prises par les barres pour deux situations extrêmes du réglage. Les calculs sont faits avec :

Page 15


Et = 63 ; r1 = 9 ; l1 = 25 ; R1 = 40 ; r2 = R1 ; R2 = 20 ; l2 = 63 ; h = 25 ; l4 = R1

Fig. 1 : Loi entrée-sortie pour r = 35°

On remarque sur la figure 1 une allure dissymétrique caractérisée par un aller rapide et un retour lent de la manivelle de sortie. De sorte que si on admet que les vitesses sont approximativement dans le rapport des angles, le rapport des vitesses sortie-entrée est de 1 pour l’aller rapide et de ¼ pour le retour lent.

Fig. 2 : Position des barres r 35°

La figure 2 illustrant la position des barres montre que la manivelle de sortie possède un mouvement de rotation alternatif. Ce type de mouvement est pour l’instant impropre pour la réalisation d’un variateur de vitesse à la sortie duquel on attend une vitesse de rotation continue (ou approximativement continue).

Page 16


Fig. 3 : Loi entrée-sortie pour r = 85°

On remarque sur la figure 3 que la manivelle de sortie possède un débattement très faible lorsque la manivelle d’entré a tourné d’un tour. Ce fait débattement est illustré sur la figure 4 :

Fig. 4 : Position des barres r = 85°

Compte tenu du débattement très faible on peut admettre que la manivelle de sortie est immobile. Quelques additifs vont permettre de présenter ce variateur de vitesse continu sous sa forme aboutie ayant conduit à une réalisation industrielle en série.

Page 17


LES SOLUTIONS TECHNOLOGIQUES RETENUESDans cette partie, nous allons principalement parler des choix de fabrication

lors de l’étape de construction. Nous essayerons de voir pourquoi la solution à été retenues et comment celle-ci fonctionne.

Le carter Le carter est l’élément qui enveloppe tout le système de variation de

vitesse. Il a pour rôle principale de protéger celui-ci de l’environnement extérieur, de réaliser les liaisons entre les arbres et le carter et de permettre un montage facile sur un support.

Dans notre cas, le carter semble être la solution la plus évidente car le système étant composé de multitude de pièce mécanique bougeant entre elle, il fallait faire fonctionner le variateur dans un bain d’huile. Notre carter est moulé, il a la donc particularité d’être non poreux. La liaison entre les deux carters est alors réaliser grâce à 12 vis et un joint plat entre les deux. Ce joint a pour rôle d’empêcher l’huile de sortir.

Vis de fixationD’après nos observations, les vis utilisées pourrait être des vis à tête

cylindre à six pans creux M5 : ISO 4762 – M5 * 22

Joint platLe joint plat convient très bien pour une utilisation en étanchéité

statique. Plusieurs joints sont possibles :Catégorie Matériaux Propriétés Dimensions Emplois

Papiers

Fibre de cellulose imprégnées et plastifiées à la gélatine

Bonne tenue aux huiles et aux hydrocarbures

Epaisseurs : 0.15 à 6.4 mm

Joint de carburateurs, pompes à eau, huile …

Lièges

Granulés de liège enrobés par du butadiène acrylonitrile

Résistant aux huiles, hydrocarbures, gaz liquéfiés et au vieillissement

Epaisseur : 1 à 5mm par fraction de 0.5

Joint industriels, automobiles, bâtiments

Elastomères Polyuréthane Très bonne résistance aux huiles et aux hydrocarbures. Bonne

Epaisseurs : 1 à 6mm

Joint devant résister aux intempéries. Résistance à la déchirure

Page 18


résistance à l’usure.

12MPa, élongation à la déchirure 40%

Huile de lubrificationLes variateurs et les réducteurs zero-max sont lubrifiés en usine. Il n’est

donc pas nécessaire de renouveler l’huile, cependant il faut régulièrement vérifier la niveau d’huile.

Huile D’après le constructeur, il faut une huile de viscosité SAE 40. La

quantité est de 0.55 litres.

Etanchéité Arbre – CarterComme on a vu précédemment, le carter est rempli d’huile, il faut donc

réaliser une étanchéifiassions entre l’arbre d’entré et de sortie pour éviter les fuites. Pour l’étanchéité, on a pensé à première vue à des joints à deux lèvres à frottement radial. Cependant, en démontant le système nous nous sommes rendu compte que les traces correspondantes au joint sur l’arbre ne correspondaient pas à un joint à deux lèvres à frottement radial. Pour conforter notre hypothèse, nous avons trouvé la dureté minimum pour ce type de joint (55HRC) et nous avons donc réalisé un test de dureté sur l’arbre. Le test nous révèle une dureté de 18HRC, nous pouvons alors émettre les hypothèses suivantes :

Le constructeur n’a pas respecté les normes. Le joint ne correspond pas.

Nous nous sommes donc mis à chercher différents joints et nous sommes tombés sur le joint à feutre et le joint quadrilobe. Le joint quadrilobe devrait faire apparaître 4 traces de marques sur l’arbre mais nous n’en avons qu’une seule. Le joint feutre pourrait donc correspondre, car la première trace correspondrait aux joints et la seconde au coussinet (réalisant liaison pivot : Cf. suite). Pour vérifier ce dernier choix, nous avons trouvé sur le catalogue SKF les caractéristiques des joints feutres : vitesse de rotation de 4m/s. A la vitesse maximum de rotation de l’arbre d’entrée, notre arbre de sortie aura une vitesse de 0.25m/s. On peut donc penser que les joints utilisés sur l’entrée et la sortie sont des joints feutres.

Il y’a aussi l’arbre de réglage du rapport qui sort du carter, il faut donc réaliser une étanchéifiassions. Comme celui-ci est très peu en rotation (il tourne que lorsque l’on a besoin de régler le rapport de démultiplication) on peut se permettre de mettre un joint torique.

Joint torique Pressions P ≤ 8Mpa donc ajustement H7/f7 Diamètre de la gorge de l’arbre : 10 mm

Page 19


Diamètre du joint : 1.90 mm Désignation : Joint torique 10 * 1.90

Liaison Arbre – CarterSur le variateur, les arbres d’entrée et de sortie sont en rotation dans le

carter par l’intermédiaire d’une liaison pivot. Nous ne possédons qu’une seul partie du carter, on suppose donc que la même technologie a été utilisée pour les deux carters.

La liaison entre le carter et l’arbre est dans notre cas réalisé par un coussinet placé entre l’arbre et le logement. En effet, les coussinets étant des bagues cylindriques, de forme tubulaire avec ou sans collerettes, permettent de faciliter le mouvement de rotation entre les deux parties. De plus, il limite les pertes par frottement car il a un très bon coefficient de frottement (µ = 0.04 à 0.2) Il peut être construit à partir de plusieurs matériaux différents, voici une liste exhaustive (plomb, bronze, graphite, téflon …). D’après nos observations, on peut penser que les coussinets sont en bronze. Le demi-carter possède un coussinet auto lubrifié sans collerette pour l’arbre de sortie et un coussinet autolubrifiant avec collerette pour l’arbre d’entrée (celui-ci n’étant pas débouchant).

Il y’a aussi une liaison entre l’arbre de réglage et le carter, cependant celle-ci ne présente pas de collerette. Cet arbre n’étant en rotation que lors de la phase de réglage du rapport de vitesse, il n’y a pas besoin d’avoir un bon coefficient de frottement entre les deux. La liaison est alors réalisée par un ajustement serré sur une grande portée.

Système de variation Comme vue lors de la présentation du système, nous avons à faire a un

système d’arbre excentrique et de bielles coudées reliées entre elles. Nous avons en plus une bielle coudée qui permet de définir le rapport de démultiplication du système. Le système possède deux positions extrêmes :

Vitesse de rotation en sortie : 0 trs/min

Page 20


Fig. 1 : rotation de sortie nulle

En plus d’avoir un rôle d’embrayage, cette bielle de réglage (ici en rouge) permet de faire varier la vitesse. Lorsqu’elle est située en bas, le système aligne alors, quelque soit le degré de rotation de l’arbre d’entrée (et donc de la came) les différents positions du point A selon un axe passant par le point E et les points A. Le point B reste alors à sa position et n’entraine donc pas l’arbre.

Vitesse de rotation en sortie : ¼ de la vitesse d’entrée

Page 21


Fig. 2 : Vitesse de sortie maximum

Lorsque la bielle de réglage est en position haute, on obtient une oscillation au niveau du point B (Cf. fig. 2). En effet, la bielle de réglage produit un décalage des positions des différents point A en fonction de l’angle de rotation de l’arbre d’entré. Les points An n’étant plus alignés (comme vu précédemment), les différentes positions forment un déplacement linéaire (Cf. fig. 3), les bielles transmette alors le déplacement au point B. Les différentes positions du point B forment un arc. Ainsi, il nous reste plus qu’a transmettre le mouvement sur l’axe S par l’intermédiaire d’une roue libre. Il faut savoir que l’entrainement d’une bielle sur l’arbre S dépend du degré de rotation de l’arbre d’entrée. Lors des premiers 147° de l’arbre E, l’arbre S n’est pas entrainé, on dit qu’il est en roue libre. Lors des 213° suivant de l’arbre E, la roue libre entraine l’arbre S. Pour avoir un mouvement continue, on placera alors plusieurs bielle en décalés pour pouvoir transmettre la rotation pendant que d’autre bielle sont en roue libre et inversement.

Voici deux figures qui caractérisent les rotations des arbres et la position des bielles.

Page 22


Roue libre de l’arbre de sortieLa roue libre est située entre les cames et l’axe hexagonale. L’arbre

de sortie est en liaison fixe avec l’arbre hexagonale. Le principe de la roue libre est de transmettre dans un sens de rotation un couple, et dans un autre sens, de ne rien transmettre. Dans notre système, elle permet transformer les variations des bielles coudées au point B en rotation. Cette roue libre est basée sur la friction de petit axe entre l’arbre hexagonale et l’intérieur de la came (Cf. Schéma). Chaque came possède son propre système de roue libre, nous avons donc en tout dans le variateur 8 roue libres. De plus, celle-ci permette quelques soit le sens de rotation de l’arbre d’entrée E, de faire tourner l’arbre de sortie S dans un seul sens car une roue libre est prévu pour entrainer que dans un seul sens ! Ce système n’est donc pas réversible !

Schéma de la roue libre

Page 23


MODE DE MISE EN FORME, LES MATÉRIAUXDans cette partie, nous allons principalement parler des choix de matériaux

et de mise en forme lors de l’étape de construction. Nous essayerons de voir pour quelle raison la solution a été retenu.

Le carterLe carter étant un des éléments principaux du système, le constructeur se

doit de bien choisir les matériaux utilisés pour la fabrication de celui-ci ainsi que la méthode employé. Ici, on voit clairement que le carter a été moulé (de multitude petit congés sont présent que la pièce). Quant au matériau, il nous reste à savoir quelle était la matière retenu. Dans notre cas, nous avons commencé par évaluer approximativement le volume de matière du carter et nous avons ensuite trouver les masses volumiques de différents métaux utilisé en fonderie. Après une rapide multiplication, nous trouvions une masse que nous comparions à celle du carter. Il en ressort que le carter pourrait être moulé en alpax.

L’alpax est notamment utilisé pour des cadres (motos, vélos…) ou des pièces métalliques. C’est un alliage d’aluminium-silicium avec 12% de silicium. L’alpax est principalement coulé en coquille (ce qui est notre cas) sous faible épaisseur, ou injecté sous vide. Voici les caractéristiques de l’Alpax :

Charge à la rupture : 20 kg/mm² (8 fois supérieur a l’aluminium pur) Allongement de 6% Soudage MIG – TIG impossible

Les coussinetsLes coussinets sont des pièces recouvertes d’un métal qui donne un

coefficient de frottement excellent et qui servent à guider des arbres en rotation. Dans notre demi-carter, nous pouvons parler de bague et de coussinets à collerette, en effet les deux sont présents. Cependant, on pense que les deux coussinets sont faits du même matériau : Bronze autolubrifiant. On parle d’alliage auto lubrifié. Cette technologie permet de supprimer les graisseurs, de supprimer l’entretien des coussinets et de réduire l’encombrement car le matériau est poreux et peut absorber une certaine quantité de lubrificateur que le coussinet libère lors de l’utilisation.

Arbre d’entré et de sortieLes arbres ont été usinés a partir d’un acier au tour parallèle et on ensuite

été usiné a la fraiseuse pour réaliser les méplats. La dureté de l’acier utilisé est de 18 HRC

Cames et biellesDans notre système, les cames et les bielles n’ont pas besoin d’avoir un

usinage précis et de très grande qualité. Il est donc possible de les découper a

Page 24


l’emporte pièce, a la grignoteuse, ou encore en utilisant les techniques de découpe laser ou découpe au jet d’eau. Cependant, comme nous n’avons pas besoin d’avoir une très grand précision au niveau des spécifications, la découpe laser et la découpe jet d’eau ne sont pas retenus car elle son trop chère trop lente et donne une qualité de découpe non justifié. Le constructeur a donc préféré la découpe à l’emporte pièce. Elle est rapide, peu chère pour les grandes séries et donne une qualité de découpe suffisante.

Page 25


ASSEMBLAGEOn peut décomposer le montage du variateur en plusieurs sous ensemble :

Pré-montage du carter Cf. E & JK PARTS LIST PBD-1 (Annexe)

1. Insertion des coussinets (16) et (17) dans les logements prévus du carter (1) et (3)

2. Insertion des joints3. Insertion de la bague d’arrêt pour le joint feutre de l’arbre de sortie 4. Assemblage de la manette de réglage (7) et (9)

Pré-montage du système de variationCf. E & JK PARTS LIST PBD-2 (Annexe)

1. Pré-assemblage de l’ensemble (7) par rivetage. Opération répété pour les 8 bielles.

2. Montage sur les arbres de l’ensemble 7 et montage de la roue libre en même temps.

3. Blocage par écrou (4) et protection (5) de l’axe (6).4. Blocage de l’axe (16) par anneaux élastique (17) et bague d’arrêt (13). La

bague d’arrêt (13) est plaquée contre l’axe perpendiculaire à l’axe (16).

Assemblage finale1. Insertion du système de variation dans le carter.2. Pose du joint plat entre les deux carters3. On rempli d’huile le carter4. Serrage par vis

Page 26


Mécanisme similaireP R É S E N T A T I O N D E M É C A N I S M E S I M I L A I R E U T I L I S A N T D ’ A U T R E S T E C H N O L O G I E S

RÉDUCTEUR A ENGRENAGELa solution la plus utilisé dans l’industrie

mécanique pour faire des variations de vitesse est le réducteur à engrenage. Comme son nom, l’indique, il est composé d’un ou plusieurs trains d’engrenage qui permet d’augmenter ou de réduire la vitesse (tout dépendra du placement des engrenages).

Cette technologie offre un rendement proche des 95%. Le rapport de vitesse obtenu entre l’entrée est la sortie dépend des nombres de dents de chaque roues.

Sur cette photo, on peut apercevoir le célèbre engrenage à chevron en V d’André Citroën. Les arbres ne sont pas présents. Prenons la photo comme exemple :

Si l’arbre d’entrée est situé sur le pignon (la petite roue), alors l’arbre de sortie (situé sur la grande roue) aura une vitesse plus faible que l’arbre d’entrée.

Si l’arbre d’entrée est situé sur la grande roue, alors l’arbre de sortie aura une vitesse plus grande que l’arbre d’entré.L’avantage d’un tel système est qu’il est possible de placé les arbres

perpendiculairement tout en transmettant le mouvement de rotation. Les engrenages sont présents partout (montre, boite de vitesse de voiture, lecteur de CD …).

VARIATEUR DE VITESSE POUR MOTEUR ÉLECTRIQUEPlus récent, les variateurs électroniques on fait leur apparition (bien après

les engrenages). La grosse différence avec des engrenages ou des systèmes de bielles vient de la vitesse du moteur. En effet, sur un système d’engrenage ou de bielle, la vitesse du moteur reste la même et avec un système mécanique, on fait varier la vitesse de sortie. Pour les

Page 27


variateurs électroniques, on fait directement varier la vitesse du moteur. On ne passe pas par des systèmes mécaniques. L’inconvénient de ce système est qu’a fait vitesse, le couple est très faible. En revanche, c’est un système extremement précis qui permet de gérer la vitesse à 1 trs/min près.

VARIATEUR DE VITESSE (MÉCANIQUE)

Un variateur de vitesse est un dispositif mécanique permettant de faire varier continûment le rapport de démultiplication d'un moteur. Il est utilisé en remplacement de la boîte de vitesses.

Le variateur de vitesses est composé de deux poulies dont les gorges sont à écartement variable, reliées par une courroie. En fonction de l'écartement des parois des poulies, la courroie pénètre plus ou moins près du centre, et change le rapport de démultiplication en conséquence. Généralement, le rapport est choisi par un dispositif centrifuge, en fonction de la vitesse de rotation du moteur : plus le moteur tourne vite, plus la démultiplication augmente, ce qui tend à faire ralentir le moteur.

Ce système est principalement utilisé sur les mobylettes ou les scooters. Quelques voitures automatiques équipées d'une transmission à variation continue : (Daf, Volvo 66 et 340, Ford Fiesta, Ford Focus, Fiat Punto, toutes les AUDI version Multitronic, Honda Jazz, Toyota Prius, etc.)

Extrait de Wikipédia : Variateur de vitesse (mécanique)

Page 28


Les alternativesD ’ A U T R E S S O L U T I O N S T E C H N O L O G I Q U E S , M A T É R I A U X E T P R O C É D É S

SOLUTIONS TECHNOLOGIQUEComme on l’a vu dans les mécanismes similaires, il n’y a pas énormément

de parade pour faire un système mécanique de variation de la vitesse. Il est cependant possible d’améliorer ou de changer nos choix technologiques.

Roue libreOn a vu que l’on avait à faire à une roue libre a aiguille (entrainement

par friction) et que celle-ci se détériorais avec le temps. En effet, la durée de la roue libre peut diminuer lorsque l’on a un couple appliqué trop élevé, un cycle d’oscillation élevé ou encore une oscillation insuffisante, une fort charge radiale ou encore l’utilisation d’un arbre de faible dureté.

Il existe un autre type de roue libre : La roue libre a cliquet. Connus de tous, elle équipe 99% des vélos du marché mondiale. Le principe reste le même, entrainer l’arbre dans un sens, et laisser l’arbre libre dans l’autre sens. Voici un schéma illustrant une roue libre :

Nous avons ici affaire à une roue libre à cliquet, comme celle que l’on peut trouver sur un vélo. Lorsque la roue extérieur (ici en bleu) tourne vers la gauche, elle emmène avec elle le cliquet roue et l’axe vers. En revanche, si la roue bleu tourne vers la droite, le cliquet viendra glisser à l’intérieur de la roue usiné. Ainsi, l’axe vert ne sera pas entrainé.

Cette roue libre pourrait être une solution alternative à notre système.

Matériaux compositeAvec l’évolution des nouveaux matériaux composite, on peut se

demander s’il est possible de fabriquer le système de variation à partir de ces nouveaux matériaux. Ainsi, il pourrait être possible d’augmenter encore plus le rendement (donc diminution des frottements), de diminuer le bruit, de diminuer l’échauffement du système et pourquoi pas retirer le bain d’huile !

Page 29


AnnexesRÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

Unicum : Variateurs mécanique Zero-Max Chevalier : Guide du dessinateur industriel SKF : Catalogue technique interactif Nomenclature

Page 30

Documents

Variateur de vitesse zero-maxemanuel.perreau.free.fr/Variateur/Variateur de vitesse 0... · Web viewVariateur de vitesse zero-max 17/06/2008 Etude d’un variateur zero-max dans le