PROJET «BUREAU D ETUDE»

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1 ECOLE NATIONALE SUPERIEURE D INGENIEUR DE BRETAGNE SUD Spécialité : INGENIEUR MECATRONIQUE PROJET «BUREAU D ETUDE» Etude d un lève-vitre Encadré par M. Stéphane BOCHARD & M. Christophe CELLARD Présenté et soutenu par Thomas BARTHELEMY Etudiant en Troisième Année Le 17 Décembre 21 Session 28/11

2 SOMMAIRE I. PRESENTATION Mécanisme retenue Fonctionnement Objectif de l étude Démarche... 3 II. ETUDE GLOBALE... 4 A. Etude préliminaire sur le mécanisme Schéma cinématique Graphe des liaisons... 4 B. Etude des efforts de la vitre transmit au bras secondaire dans un cas normal d utilisation Données Position mi-course Position basse Position haute... 6 III. Etude sur le mécanisme... 6 A. CosmosMotion Création de la maquette Graphe... 7 B. Calcul des forces maximales Exploitation des graphes Calcul des forces maximales... 8 IV. Calcul par éléments finis... 9 A. Pièce 2D Présentation de la pièce Construction du modèle de calcul Exploitation des résultats... 9 B. Pièce 3D Présentation de la pièce... Erreur! Signet non défini. 2. Construction du modèle de calcul... Erreur! Signet non défini. 3. Exploitation des résultats... Erreur! Signet non défini. V. Analyse de la pièce... Erreur! Signet non défini. ANNEXES Thomas BARTHELEMY Rapport «Projet Bureau d Etude» Page 1

3 I. PRESENTATION 1. Mécanisme retenue J étudierais le mécanisme du lève-vitre qui équipe des véhicules Renault de modèle "Kangoo". Le modèle est de type «Lève-vitre à bras secteur mono bras ou bibras (en X)». Ce modèle CAO a pu être repris a partir du site du C.N.R. (Centre National de Ressources) en C.M.A.O. (Construction Mécanique Assistée par Ordinateur). Toutes données techniques et information pour le lancement de notre étude nous était donc fourni grâce à ce site. Ce système a fait l objet d un sujet d examen «Baccalauréat technologique STI GM a et b Etude des constructions 25». Notre étude portera sur le boîtier de transmission. 2. Fonctionnement Le lève-vitre est constitué d'un système de deux bras en "X" correspondant aux diagonales d'un rectangle. Le bras principal, soudé à un secteur denté à son extrémité gauche, est entrainé par le mouvement de rotation du moteur, par un système pignon crémaillère (secteur denté du bras principal). Le mouvement résultant du mécanisme est celui du rail portant la vitre. Le mouvement de rotation du bras principal, du système de deux bras en X, et de part la rotation du galet du bras secondaire par rapport au rail fixe, entraine un mouvement de translation verticale du rail mobile soutenant la vitre. Thomas BARTHELEMY Rapport «Projet Bureau d Etude» Page 2

4 3. Objectif de l étude L objectif est qu à l aide de codes de calcul et des données déterminées auparavant, on puisse étudier l importance des différents renforcements du bras secondaire. Le bras secondaire est une pièce intéressante du fait de ses géométries et de son rôle dans le fonctionnement du système. Bras secondaire en 3D 4. Démarche Afin de mener à bien notre étude nous procèderons de la manière suivante : Etude analytique de la pièce 1 afin de déterminer les efforts transmit au bras secondaire par la vitre : effort aux deux positions extrêmes du lève-vitre (mi-course et fin de course). effort fournir en cas d effraction. (Forçage sur la vitre). Etude globale du système afin de déterminer les efforts utiles sous Cosmosmotion. Etude le comportement de la pièce 2D et 3D par élément finis (contrainte, déformation, ). Analyse. Thomas BARTHELEMY Rapport «Projet Bureau d Etude» Page 3

5 II. ETUDE GLOBALE La première partie sera tournée vers la mise en place des différentes hypothèses nécessaire à la résolution du problème ainsi qu a l étude préliminaire des efforts appliqués au mécanisme. A. Etude préliminaire sur le mécanisme 1. Schéma cinématique Voir «Annexe 1» 2. Graphe des liaisons Voir «Annexe 2» B. Etude des efforts de la vitre transmit au bras secondaire dans un cas normal d utilisation Le but de cette étude est de définir l effort maximal de la vitre, transmis sur rail haut, sur le bras secondaire. Pour définir cette effort maximal, on va faire l étude dans les deux positions extrêmes du bras (les deux bras le plus écarté et le plus proche). 1. Données Les données fournis dans le sujet sont : La course est de 51 mm. La vitre a un poids de 3 Newtons. La résistance au glissement de la vitre dans les glissières de porte est estimée à 5 N. Temps d'ouverture total et de fermeture total de la vitre est de 1 secondes. La force due à l'arrivée en butée de la vitre est estimé à 35 N. Thomas BARTHELEMY Rapport «Projet Bureau d Etude» Page 4

6 2. Position mi-course a. Représentation 3D dans la position étudiée La première position que l on étudie est la situation où la vitre est au milieu de sa course. Cette position représente la situation où les deux bras sont le plus écarté. Position mi-course b. Calcul analytique de l effort en B Calcul en «Annexe 3» On obtient un effort sur le «bras secondaire» au point B de : 3. Position basse a. Représentation 3D dans la position étudiée La deuxième position que l on étudie est la situation où la vitre est en fin de course basse, donc entièrement ouverte. Cette position représente la première situation où les deux bras sont le plus rapproché. b. Calcul analytique de l effort en B Position butée bas Calcul en «Annexe 4» On obtient un effort sur le «bras secondaire» au point B de : Thomas BARTHELEMY Rapport «Projet Bureau d Etude» Page 5

7 4. Position haute a. Représentation 3D dans la position étudiée La deuxième position que l on étudie est la situation où la vitre est en fin de course haute, donc entièrement fermée. Cette position représente la deuxième situation où les deux bras sont le plus rapproché. Position butée haut b. Calcul analytique de l effort en B Calcul en «Annexe 5» On obtient un effort sur le «bras secondaire» au point B de : Dans cette partie, on obtient un effort maximal de 4 N à la position «micourse», si on ne prend pas en compte l effort supplémentaire dût à la butée. Sinon, on obtient un effort maximal de 15 N. III. Etude sur le mécanisme A. CosmosMotion Le but de cette partie est d étudier le mécanisme du «lève-vitre» avec un module de Solidworks, Cosmosmotion. Ce module permet de simuler le bon fonctionnement d un mécanisme et d obtenir des résultats de grandeurs cinématiques (vitesse, accélération ) et de grandeurs mécaniques (efforts transmis, moments ) Thomas BARTHELEMY Rapport «Projet Bureau d Etude» Page 6

8 1. Création de la maquette Pour la création de la maquette, j ai utilisé les paramètres suivants : Liaison : * linéaire : - entre le galet A et le rail mobile rectiligne - entre le galet B et le rail mobile - entre le galet C et le rail fixe * rotule : - entre le galet A et le bras secondaire - entre le galet B et le bras principal - entre le galet C et le bras secondaire * pivot : - entre le pignon d entrainement et le bâti - entre le bras principal et le bras secondaire Mouvement de rotation sur Z du bras principal de -48,5 à +48,6, pour représenter la course de 51 mm de la vitre. Force de contact de -8N sur Y sur le centre du rail mobile 2. Graphe Force en Y sur la liaison rotule (bras secondaire galet) Force en Y sur la liaison pivot (bras secondaire avec bras principal) Moment en Z sur la pivot (bras principale avec le bâti) On observe que sur chaque graphe, le maximum est atteint à 5 secondes, soit quand la vitre est à mi parcours. On remarque aussi que les forces calculer dans la partie précédente sont approximativement les mêmes que celles des graphes (19N contre 19,6N à s et 1s et 39N contre 4N à 5s). Thomas BARTHELEMY Rapport «Projet Bureau d Etude» Page 7

9 B. Calcul des forces maximales On va calculer les forces maximales pour le couple moteur maximal sur le bras secondaire à partir des forces obtenues pour un couple de 26,528 Nm à la liaison pivot entre le bras principal et le bâti. 1. Exploitation des graphes La force sur Y pour la liaison pivot du bras secondaire est La force sur Y pour la liaison pivot du bras secondaire est Le moment sur Z entre le bâti et le bras principal est de 2. Calcul des forces maximales On calcule les diamètres primitifs et le rapport de réduction On calcul le couple du réducteur On calcul le rapport de multiplication On calcul le couple maximal du bras principal On calcul les forces maximales sur le bras secondaire On calcul la force maximale applicable sur la vitre De cette partie, on peut déterminer les forces maximales subites par la pièce sur ces deux liaisons. une force de 18,1 N sur au point H (liaison pivot) du bras secondaire. une force de 91,2 N sur au point B (liaison rotule) du bras secondaire. Thomas BARTHELEMY Rapport «Projet Bureau d Etude» Page 8

10 IV. Calcul par éléments finis Cette dernière partie d étude va servir à visualiser les contraintes qui nous permettrons de juger l apport de l emboutissage de la pièce originelle (feuille de tôle emboutis) par rapport à la même pièce 2D (feuille de tôle avant emboutissage). Pour cette étude, on va utiliser ABAQUS, un progiciel de calcul éléments finis. A. Pièce 2D 1. Présentation de la pièce La pièce utilisée pour cet essai est la pièce en feuille de tôle, d épaisseur 1 mm, avant l emboutissage. Mise en plan de la pièce 2D en «Annexe 6» 2. Construction du modèle de calcul Pour pouvoir créer le modèle, on a suivi différentes étapes : On enregistre la pièce au format «.igs», avec Solidworks. On importe ce fichier dans abaqus. On créait un matériau (Acier : Module de Young = 21 MPa & Coef. de Poisson =,33) que l on applique à la pièce. On applique un encastrement sur la liaison pivot. On applique une force : (représentant l effort de la vitre sur la liaison rotule du bras secondaire. Force en «Annexe 7» On créait un maillage (tétraèdre libre, global size = 2, pour être identique à celui du 3D) et on l applique à la pièce. Maillage de la pièce 2D en «Annexe 8» On n a plus qu à calculer 3. Exploitation des résultats On observe que la pièce est tres contrainte sur les longueurs, et atteins son maximum (241,4 MPa) sur la longueur haute, mais n est qu un peu moins importante sur la longueur basse (211,2 MPa). Le contour du cercle en relief est très sollicité aussi. Quand au déplacement, il est inferieur à 1mm. Image en «Annexe 9 & 1» Thomas BARTHELEMY Rapport «Projet Bureau d Etude» Page 9

11 B. Pièce 3D 1. Présentation de la pièce La pièce utilisée pour cet essai est la pièce après l emboutissage. 2. Construction du modèle de calcul Voir la méthode du 2D On rajoute juste un contact selon Y sur la surface plane juste avant cercle couper en 3 parts. Maillage de la pièce 3D en «Annexe 1» 3. Exploitation des résultats On observe que la pièce est sollicitée aux mêmes endroits (longueurs) que sur la pièce 2D, mais avec un effort moins important (< 18 Mpa contre 241,4 MPa). Mais la contrainte est plus importante sur le contour du cercle relief (entre 258,3 MPa et 172,2 MPa), mais ceci peu être dû au fait que l on a enlevé les congés. Thomas BARTHELEMY Rapport «Projet Bureau d Etude» Page 1

12 V. Conclusion 1. Modélisation du mécanisme 2. Etapes effectuées Etant parti de l observation d un mécanisme de lève vitre de voiture, nous nous sommes penché sur son étude et plus particulièrement celui de la pièce «bras secondaire», qui est l un des deux bras servant à lever la vitre. La première partie nous a permit de déterminer l effort de la vitre repartie sur les deux bras. La deuxième partie nous à permis la compréhension du mécanisme et de déterminer les sollicitations maximales pouvant s appliquer sur la pièce. Les hypothèses nous on mené à un effort maximal de 15 N. Après une première étude de notre pièce, en 2D (avant emboutissage), sous Abaqus, nous avons constaté que celle-ci était soumise à un effort important sur ses longueurs. Nous avons donc voulu savoir ce qu apporté à la pièce, l action d emboutissage. L emboutissage a servit à diminuer les contraintes sur la longueur en la rendant plus rigide. Thomas BARTHELEMY Rapport «Projet Bureau d Etude» Page 11

13 ANNEXES a) Annexe 1 : Schéma cinématique Liaison linéaire rectiligne de centre B et d axe (B, y) 1 2a Liaison rotule de centre D Liaison rotule de centre G 2b Liaison linéaire rectiligne de centre C et d axe (C, y) 3 Liaison rotule de centre E Liaison pivot d axe (H, z) Liaison linéaire rectiligne de centre J et d axe (J, y) 5 6 Liaison pivot d axe (I, z) Liaison pivot d axe (K, z) Liaison pivot d axe (K, z) Fixe 2c Liaison linéaire rectiligne de centre F et d axe (F, y) 4 b) Annexe 2 : Graphe des liaisons B C 2a Galet D Rail mobile vitre 1 2b Galet G H z y x Rail fixe 4 Bras principal 5 3 Bras secondaire K J I Rail fixe 4 2c Galet F E Rail fixe 4 Thomas BARTHELEMY Rapport «Projet Bureau d Etude» Page 12

14 c) Annexe 3 : Calcul analytique de l effort au point B en position «micourse» On isole la pièce 1 B B ep = 1 mm z y x P P 2 mm 17 mm C C Bilan des actions mécaniques extérieures de la pièce 1 (2D) Principe Fondamental de la Statique en B - 34 Yc 34.Yc Thomas BARTHELEMY Rapport «Projet Bureau d Etude» Page 13

15 Théorie de la Résultante Statique Théorie du Moment Statique Résolution des équations Thomas BARTHELEMY Rapport «Projet Bureau d Etude» Page 14

16 d) Annexe 4 : Calcul analytique de l effort au point B en position «butée bas» On isole la pièce 1 2 mm 2 mm B B ep = 1 mm 17 mm F P 224,95 mm C C z y x Bilan des actions mécaniques extérieures de la pièce 1 (2D) Principe Fondamental de la Statique en B - 224,95 Yc 224,95.Yc Thomas BARTHELEMY Rapport «Projet Bureau d Etude» Page 15

17 Théorie de la Résultante Statique Théorie du Moment Statique Résolution des équations Thomas BARTHELEMY Rapport «Projet Bureau d Etude» Page 16

18 e) Annexe 5 : Calcul analytique de l effort au point B en position «butée haut» On isole la pièce 1 2 mm 2 mm B B ep = 1 mm 17 mm F P 224,95 mm C C z y x Bilan des actions mécaniques extérieures de la pièce 1 (2D) Principe Fondamental de la Statique en B - 224,95 Yc 224,95.Yc Thomas BARTHELEMY Rapport «Projet Bureau d Etude» Page 17

19 Théorie de la Résultante Statique Théorie du Moment Statique Résolution des équations Thomas BARTHELEMY Rapport «Projet Bureau d Etude» Page 18

20 f) Annexe 6 : Mise en plan du bras secondaire 2D g) Annexe 7 : Application du blocage et de la force sur le bras secondaire 2D 41,64 48,36 La pièce étant représentée de face arrière au lieu d être représentée de face avant dans Abaqus. On a une force On obtient les composantes de sur avec Le triangle de trigonométrie : Thomas BARTHELEMY Rapport «Projet Bureau d Etude» Page 19

21 h) Annexe 8 : Maillage du bras secondaire 2D i) Annexe 9 : Déplacement de la pièce 3D Thomas BARTHELEMY Rapport «Projet Bureau d Etude» Page 2

22 j) Annexe 1 : Sollicitation sur la pièce 2D k) Annexe 11 : Maillage du bras secondaire 3D Thomas BARTHELEMY Rapport «Projet Bureau d Etude» Page 21

23 l) Annexe 12 : Déplacement de la pièce 3D m) Annexe 13 : Sollicitation sur la pièce 3D Thomas BARTHELEMY Rapport «Projet Bureau d Etude» Page 22

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