Porte Baggage Hybride

HTML Projet S3 GM

  BECK Kevin      

BORGET Emille

GODEC Killian  

Porte bagage hybride

 

 

Déroulé du projet :

1. Introduction
2. Analyse de l'existant
3. Analyse fonctionnelle / cahier des charges
4. Croquis / schéma cinématique
5. Conception et modélisation CREO / Inventaire des solutions
6. Objet final / Fabrication
7. Conclusion / Optimisation
8. Mode d'emploi / Précautions 

 

INTRODUCTION

 Dans le cadre du projet S3 – Optimisation Produit à l’INSA de Strasbourg, il nous a été demandé de choisir un objet existant et d’essayer de l’optimiser afin de lui rajouter des fonctionnalités qui nous semblaient utiles. C’est à partir de cette consigne que nous avons décidé de nous concentrer sur un objet que tout étudiant, et utilisateur du quotidien, se doit d’avoir sur son vélo, à savoir un porte bagage. Pour rendre notre objet innovant, nous avons décidé de lui rajouter la fonction « dépanneur », c’est-à-dire, avoir la possibilité de pouvoir remorquer un autre vélo si l’occasion et la nécessité se présentait, le tout en étant originellement un porte bagage, qui ne gênera pas l’utilisateur dans la vie de tous les jours(tout en conservant le confort d’utilisation).

            Nous sommes partis du constat que la quasi-totalité des vélos sont équipés de porte bagage, mais que l’espace utilisé par celui-ci n’est pas utilisé à la totalité de son potentiel. De plus, dans un environnement urbain avec un climat semblable à celui de Strasbourg, une roue crevée ou une chaine qui explose si elle est mal entretenue peut vite arriver, et le programme de toute une journée peut venir à être chamboulé par cela.

            Donc nous avons décidé de rajouter la fonction dépanneur, en assurant également la présence d’un porte bagage correct, afin d’éviter ses possibles aléas du quotidien. Il peut être en effet intéressant d’avoir ces doubles fonctionnalités car, avec ceci, nous aurions la possibilité de remorquer quelqu’un tout le temps, car le porte bagage est toujours présent sur le vélo.

            Notre objet ne réinventera évidemment pas le concept de porte bagage, mais il permettra de proposer une solution simple et de pouvoir sauver le coup d’une sortie, sans de réelle contrepartie négative.

 

ANALYSE DE L’EXISTANT :

Après nos recherches, nous avons remarqué qu’il existe un objet se rapprochant de notre idée, mais elle n’est présente que dans les pays scandinaves, et elle n’est pas énormément démocratisée. Dans le cadre de la France, nous n’avons pas trouvé d’objet tel que nous le pensions, cependant, l’idée de dépanneur existe. Mais il s’agit surtout d’un objet pour les enfants, où le vélo de l’enfant est attaché au vélo du parent, de plus ses objets sont volumineux et rigides, or, nous cherchons à avoir un dépanneur pouvant être replié en tant que porte bagage.

Il existe donc des idées et des objets se rapprochant plus ou moins de notre projet, mais il n’existe pas de porte bagage tel que nous le voyons.

 

 

 

ANALYSE FONCTIONNEL / CAHIER DES CHARGES

 

 Dans le cadre de notre conception, nous avons tenu à ce que celle-ci suive un cahier de charges répondant à des besoins que nous avons prédéfinis.

Le diagramme bête à corne suivant résume en premier lieu ce à quoi l’on veut aboutir :
 

   

 

 

Pour répondre plus concrètement à l’objectif que l’on souhaite atteindre avec notre produit, nous avons fait une étude fonctionnelle de notre futur produit en usage en tâchant de lui définir clairement une fonction principale à accomplir tout en assurant d’autres fonctions que l’on a jugées utiles pour se démarquer des éventuels compétiteurs mais aussi des produits déjà présents sur le marché.

 

 

Produit au repos (porte bagage) :

 

 

 

 

 

 

Produit en usage (dépanneur) :

 

 

 

 

Fonctions	Enoncé de la fonction	Critères d’appréciation
FP1	Pouvoir faire office de porte bagage	Stabilité, résistance, fixation
FC1	Pouvoir être attaché solidement au vélo	Efficacité et robustesse de la fixation
FC2	Pouvoir résister au différentes conditions climatiques	Résistance, détérioration
FC3	Pouvoir résister aux chocs et aux vibrations (pavés, trottoirs)	Efficacité et conception structurelle
FC4	Pouvoir résister à l’effort en torsion	Rigidité, déformation
FC5	Pouvoir résister à l’effort en traction	Rigidité, déformation
FC6	Être agréable à l’œil de l’utilisateur	Aspect, forme
FC7	Avoir un prix raisonnable	Coûts

 

 

Finalement, en établissant clairement nos objectifs, nous sommes désormais prêts à amorcer la phase de réflexion sur les solutions fonctionnelles que nous choisirons pour que le produit puisse efficacement remplir sa mission, définie antérieurement. L'objectif consiste à approfondir davantage les aspects techniques de l'objet que nous envisageons de concevoir. La conception, en tant que défi majeur pour tout bureau d'étude, a été abordée en tenant compte des moyens et compétences à notre disposition, notamment les machines et outils présent au Fablab, tout en aspirant à un mode de travail qui se rapproche au maximum des standards du monde professionnel, avec le moins de compromis possibles.

 

 

 

CROQUIS / SCHÉMA CINÉMATIQUE

 

Concernant le porte bagage, nous avons rapidement décidé d’utiliser la manière conventionnelle utilisé pour attacher l’objet, c’est-à-dire entre le haut de la selle et le cadre de vélo, le tout en utilisant un système de fixation entre l’alésage de la pièce et l’arbre soutenant la selle, avec des vis de serrage.

 

Concernant le « dépanneur », nous avons eu plus de difficultés.

Quand nous avons commencé à faire des croquis, nous sommes rapidement arrivés à deux solutions techniques distinctes pour lier les deux vélos :

 

Solution 1 : Le système soulève la roue avant du vélo 2 

 

 

Solution 2 : Les 2 roues du vélo 2 touchent le sol

 

 

              

 

Les deux solutions avaient des avantages et inconvénients qui nous semblaient compliqués à départager. 

 

En effet, avec une roue soulevée, la roue avant du vélo 2 aurait pu être en liaison encastrement avec le cadre du vélo 1 sans causer de problème de glissement sur le sol. Cela aurait permis de réduire à zéro le nombre de liaisons cinématiques au sein de notre système. En contrepartie, le système devrait être suffisamment robuste pour pouvoir soutenir environ la moitié de la masse du vélo 2, plus les pics de contraintes qui surviendraient en descendant un trottoir, par exemple. 

 

Avec l’autre solution, les 4 roues touchant le sol, le système n’aurait eu besoin de résister qu’aux contraintes de torsion horizontale entre les deux vélos, ce qui nous semblait beaucoup plus réaliste. En revanche, les 4 roues devant pouvoir rouler sans glissement sur un sol non plan, le nombre de liaisons cinématiques passait de 0 à 3.

-1 pivot d’axe vertical permettant la rotation des 2 vélos pour prendre un virage.

-2 pivots d’axe vertical permettant aux 4 roues de toucher le sol quelque soit sa forme.

 

Après réflexion, nous avons opté pour cette deuxième solution pour minimiser les contraintes ressenties par le système et améliorer la répartition des masses de l’ensemble.

Nous avons abouti à ce schéma cinématique.

 

 

Cette version est, selon nous, la meilleure pour le fonctionnement en position remorqueur mais s’adapte difficilement à sa fonction porte-bagage qui est aussi importante.

 

Nous avons donc décalé les 2 pivots les plus à l’avant vers le centre du système, permettant ainsi de replier le système en deux et d’assurer la fonction porte bagage.

 

 

 

CONCEPTION ET MODÉLISATION CREO / INVENTAIRE DES SOLUTIONS

 

Pour commencer à concevoir de notre projet, et après avoir réalisé les premiers croquis qui définissent les formes et les différentes liaisons, il a été nécessaire de faire la modélisation CAO, ici, sur CREO pour ensuite découper les formes ou les imprimer.

Par la suite, le processus de modélisation s'est déroulé en deux étapes distinctes.

Dans un premier temps, nous avons procédé à la modélisation et à l'assemblage des pièces principales, y compris des représentations approximatives des vélos avant et arrière à l'échelle. L'objectif de cette première phase était d'évaluer la longueur des différents liens afin d'assurer une proximité maximale entre les vélos, tout en évitant tout risque d'interférence entre eux. 

 

 

Ensuite, nous avons réalisé une modélisation détaillée de l'ensemble des pièces et effectué un assemblage complet incluant toutes les liaisons. En d'autres termes, nous avons modélisé en détail les cadres de vélos, en particulier les tiges, qui servent de base pour la fixation du porte-bagages dans les deux modes, en utilisant les vélos de Killian à l'avant et d'Emile en tant que vélo remorqué comme références. Le respect des dimensions était crucial, car toute la modélisation ultérieure, notamment celle des alésages, dépendait des dimensions choisies.     En ce qui concerne les trous destinés à accueillir les vis avec les écrous, nous les avons modélisés en tenant compte du matériel disponible à la PFM, à savoir des vis M5 que nous avons décidé d'utiliser ultérieurement. Pour les diverses liaisons pivot, nous avons opté pour une pièce en forme de fourche et une pièce s'insérant dans la fourche. Ces deux pièces étant percées de part en part afin de permettre le blocage avec une vis M5. Cette approche avait l'avantage de permettre le serrage de la vis et de l'écrou sans pour autant augmenter la friction dans la liaison elle-même.

Voici notre assemblage sur creo:

 

 

 

 

 

                                      

 

 

Et pour terminer cette partie de conception, nous avons effectué différents types de tests d'efforts sur des composantes du système, avec creo.

Afin de procéder aux tests d’efforts, il a d’abord fallu estimer les charges appliquées aux différentes pièces. Pour ce faire, nous avons considéré les situations d'efforts maximales, lorsque le porte bagage est en situation remorqueur : 

Le vélo tiré est immobile, et le deuxième vélo développe un maximum de couple. La personne sur le vélo remorqueur applique tout son poids sur une pédale dont le la manivelle est à l’horizontal (=couple max).

Le couple appliqué par cette personne sera C₁=t* P .

Avec ‘P’ le poids de la personne, et ‘t’ la taille de la manivelle. En prenant un personne de 90kg et un pédalier de 20 cm, on obtient: 

P=m*g=90*9.81=883 N => C₁=0.2*883=177 N.m

On calcule le couple transmis à la roue arrière du vélo en supposant que la transmission a un rendement parfait :

C₂=C₁(Z₂/Z₁)

Avec ‘Z₂/Z₁’ le rapport entre le nombre de dents du pédalier et des pignons. On choisis la situation ou le plus de couple est développé (grands pignons) et on a Z₂/Z₁=28/36, ainsi :

C₂=177*(28/36)=137 N.m

On peut ainsi calculer la tension dans le porte bagage avec la formule suivante: T=C₂/r

Avec ‘r’ le rayon extérieur de la roue arrière, on choisit un rayon de 40 cm (taille classique). On peut alors calculer la tension du porte bagage:

T=137*(1/0,4)=342.5 N

Dans un second temps, nous avons envisagé différents cas de figure: 

• les deux vélos sont alignés, il y a seulement un effort de tension parallèle au déplacement des vélos : 

 

• Les deux vélos tournent et forment un angle de 90°, le seul effort est le moment de force perpendiculaire à chaque vélo.

 

 

On applique les deux efforts maximaux des deux situations simultanément aux pièces lors de la simulation, et on obtient les résultats suivants :

 

               

                                      

 

  

                                                                                                                             

 

                

                  

 

 

TRANSITION CONCEPTION/FABRICATION

 

 

La phase de fabrication apparaît comme l'une des composantes cruciales du projet, bien que ce ne soit qu'une application de la Conception Assistée par Ordinateur (CAO). Si la CAO est réalisée de manière correcte, reflétant au mieux la réalité, si le projet est soigneusement réfléchi et les choix judicieusement faits, il n'y a aucune raison que la fabrication ne se déroule pas de façon adéquate. Cet aspect représente également l'un des défis auxquels l'ingénieur mécanicien doit faire face, comme cela a été le cas avec ce projet : concevoir en anticipant la réalisation afin d'éviter des complications lors de la fabrication. Ceci justifie notamment l'utilisation de l'impression 3D pour les pièces complexes : bien que plus lente et plus coûteuse, avec de possible problème d’impression que nous aborderons par la suite, elle permet la fabrication de pièces plus rigides aux formes plus complexes. Mais nous n’allions pas faire tout notre objet avec cette imprimante, par exemple le gros de la pièce sont des tubes qui permettent d’atteindre les distances souhaitées entre les deux vélos porte bagage, c’est pourquoi nous avons décidé d’utiliser des tubes PVC, qui sont peu couteux et assez résistant dans le cadre du projet. De plus il a suffi de les acheter et les couper, ce qui est un gain de temps conséquent. Ainsi, en prenant ces décisions dès la phase de conception, bien avant le lancement de la fabrication et en tenant compte de cette dernière, nous avons pu gagner un temps considérable lors de la fabrication et éviter de nombreux problèmes en adaptant les formes aux matériaux et aux procédés utilisés.

 

 

 

FABRICATION / OBJET FINAL

 

Imprimante 3D :

        

         Pour les pièces permettant les liaisons, nous avons utilisé principalement l’imprimante Intamsys FunmatHT présente au fablab.

 

Mais après nos premières impressions, nous avons remarqué que la pièce n’était pas assez solide, et cela était du au sens d’impression de la pièce qui s’était faite verticalement, c’est à dire dans le même sens que l’effort appliqué, ce qui a facilité sa rupture.

 

C’est pourquoi nous avons décidé d’utiliser un plastique plus résistant (ePA-CF), le tout en vérifiant que l’impression se fasse dans le sens le plus judicieux (imprimer verticalement si les efforts se feront horizontalement).

 

 

Mais dès lors que nous ayons reçu la nouvelle bande d’impression, nous avons pu imprimer toutes nos pièces sans problèmes d’impressions cette fois-ci.

 

 

Et enfin, nous avons imprimé deux pièces coniques en filament flexible.

                         

 

 

 

Tube PVC :

 

                Le système nécessitant des pièces structurelles de taille importante et ayant une bonne résistance en traction et en torsion, nous avons choisi de réaliser ces pièces (3_lien_avant et 7_lien_arrière) en tubes PVC de diamètre extérieur 32mm. Nous nous sommes procurés un tube de 2m en magasin de bricolage et l’avons débité et usiné à la PFM de l’INSA.

Chaque lien possède au moins un trou transversal de diamètre 5.5mm, traversant et lamé des deux côtés, le tout a chacune des deux extrémités de la pièce.

 

 

Après le montage:

 

Enfin, en ce qui concerne l’objet final qui a résulté de la fabrication, nous sommes assez satisfaits du résultat obtenu. En effet, nous ne pensions pas arriver à une telle maquette. Malgré le fait que la fonction dépanneur soit surement limité du fait des matériaux utilisés entre autres (résistance des pièces en cas réel), elle suffit largement pour les quelques démonstrations qu’elle va faire, en tant que maquette fonctionnelle prototype, reflétant bien notre idée, en sachant que la maquette s’approche énormément de notre modèle CAO, ce qui signifie que c’est une maquette plutôt réussie. Nous pouvons l’essayer sur un vrai vélo, constater que le porte bagage est bien fixé et rigide, et que nous pouvons également attacher un autre vélo à l’arrière. Nous sommes donc assez satisfaits de notre maquette finale, bien plus satisfait que ce que nous aurions pu imaginer vu les problèmes rencontrés au démarrage.

 

 

 

Voici des images de notre porte bagage hybride:

 

En mode repos:

 

                                                        

 

En mode depanneur:

 

                       

                                                                              

 

 

CONCLUSION

 

En conclusion, notre projet du semestre 3 s'est avéré véritablement captivant et extrêmement enrichissant à réaliser. Il nous a permis de participer activement à toutes les étapes de création d'un produit, tout en nous familiarisant avec des machines que nous n'avions jamais manipulées auparavant. Depuis l'idée initiale jusqu'au produit final, en passant par la CAO, les simulations, la fabrication et les essais, nous avons eu l'opportunité de nous immerger dans ce processus omniprésent dans tous les projets contemporains. Le débat sur les idées, la recherche de solutions, l'anticipation des problèmes, et la résolution de ceux auxquels nous ne nous attendions pas ont été des aspects essentiels de cette expérience. Nous avons douté, espéré, fait face à des challenges et, au final, présenté un produit qui nous satisfait même au-delà de nos attentes initiales. Cependant, comme il est toujours possible de s'améliorer, nous devons également aborder les domaines où des améliorations auraient pu être apportées. 

Tout d'abord, la solidité du système apparaît comme un point clé à perfectionner. Que ce soit en mode porte-bagage ou dépanneur, il est évident qu'avec les matériaux choisis, notre objet demeure fragile et susceptible de se casser dans une utilisation quotidienne. Nous aurions pu consacrer plus de temps et utiliser des matériaux plus robustes pour renforcer la solidité, en augmentant les épaisseurs, en changeant de matériaux, ou en repensant la conception. 

De plus, nous aurions pu rajouter d'autres améliorations envisageables qui incluent l'incorporation de nombreuses petites fonctionnalités mentionnées lors de la conception, mais nous les avons négligées, en raison de contraintes pratiques ou de ressources limitées. Cela aurait pu inclure la possibilité d'asseoir quelqu'un sur le porte-bagage, la réglabilité de l'inclinaison du vélo arrière pour gérer différentes situations de dépannage, et l'ajout d'une zone esthétique sur le porte-bagage pour un rendu visuel amélioré. La conception d'un porte-bagage adaptable pour différents types de vélos aurait également été envisageable, avec des réglages ajustables. Cependant, certaines de ces améliorations n'ont pas été implémentées en raison de contraintes pratiques liées à la maquette et nous avons préféré nous concentrer sur un vélo type (côté purement fonctionnel) et laisser de côté les finitions qui n'auraient pas apporté grand-chose de plus à la maquette. 

Enfin, concernant le produit final, bien qu'il ait une utilité indéniable, sa simplicité peut surprendre une personne extérieure qui pourrait se demander comment trois étudiants ont pu travailler dessus pendant un semestre. Et bien la simplicité du produit est le résultat d'une conception pensée de manière à optimiser la simplicité, une approche clé de l'ingénieur mécanicien. Bien que le produit semble simple, il a nécessité plusieurs idées, réflexions approfondies sur le système, les dimensions et le principe de fonctionnement, représentant un travail substantiel en coulisses malgré l'apparente simplicité du résultat final.

 

 

 

PS : Nous avons choisit de nommer notre projet Materack, qui est la contraction de "Mater" et "Rack". Cest deux mots représentent les deux modes d'utilisation de notre objet : Rack signifie porte-bagage et Mater est le nom anglais de Martin la dépanneuse dans le film d'animation '"Cars".