BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE SESSION Cric électrique pour véhicule particulier

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1 BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE SÉRIE SCIENCES ET TECHNIQUES INDUSTRIELLES GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2008 ÉPREUVE : ÉTUDE DES CONSTRUCTIONS Durée: 4 heures Coefficient : 6 Cric électrique pour véhicule particulier AUCUN DOCUMENT N'EST AUTORISÉ MOYENS DE CALCUL AUTORISÉS Calculatrice électronique de poche, y compris les calculatrices programmables, alphanumériques ou à écran graphique à condition que leur fonctionnement soit autonome et qu'il ne soit pas fait usage d'imprimante (conformément à la circulaire N du 1 er février 1999). Ce sujet comprend 3 dossiers de couleurs différentes - Travail à effectuer (pages 1/5 à 5/5) vert - Documents techniques DT 1 à DT 9 jaune - Documents réponses DR 1 à DR 9 blanc Les candidats rédigeront les réponses aux questions posées sur feuille de copie ou, lorsque cela est indiqué dans le sujet, sur les «documents réponses» prévus à cet effet. Tous les documents "réponses" même vierges sont à remettre en fin d'épreuve. Baccalauréat technologique STI GET - Étude des constructions ETECPO1

2 DOSSIER "TRAVAIL DEMANDÉ" Le sujet est composé de 7 parties indépendantes Ce dossier comporte 5 feuilles numérotées de 1/5 à 5/5 Il est conseillé de consacrer à chacune des parties la durée suivante : Lecture du dossier et des documents techniques Partie 1 : analyse du mécanisme 30 min 30 min Partie 2 : présentation de la problématique Partie 3 : détermination de la vitesse moyenne de rotation de la vis Partie 4 : détermination de l effort axial de la vis sur l écrou Partie 5 : étude du moto réducteur Partie 6 : dimensionnement du moteur Partie 7 : conception d un accessoire 45 min 60 min 15 min 30 min 30 min Baccalauréat technologique STI GET - Étude des constructions ETECPO1

3 DOSSIER "DOCUMENTS TECHNIQUES" Ce dossier comporte 8 documents numérotés de DT 1 à DT 8 DT 1 DT 2 DT 3 DT 4 DT 5 DT 6 DT 7 DT 8 DT 9 Mise en situation des intéracteurs Perspective globale du mécanisme FAST partiel de la fonction principale Éclaté du mécanisme complet Nomenclature Fonctionnement du cric électrique Frontières des études Catalogue constructeur : moteurs à courtant continu Plan d ensemble et de détails du cric Baccalauréat technologique STI GET - Étude des constructions ETECPO1

4 DOSSIER "DOCUMENTS RÉPONSES" Ce dossier comporte 8 documents numérotés de DR 1 à DR 8 DR 1 Partie 1 Questions 1 et 5 DR 2 Partie 1 Question 6 DR 3 Partie 3 Questions 9, 10, 12, 14, 15, 16 et 17 DR 4 Partie 4 Questions 21 et 22 DR 5 Partie 4 Questions 23, 24 et 25 DR 6 Partie 4 Questions 26 et 27 DR 7 Partie 4 Questions 28 et 29 DR 8 Partie 7 Question 39 DR 9 Partie 7 Questions 37 et 38 Tous ces documents, même non remplis, sont à joindre à la copie en fin d'épreuve. Baccalauréat technologique STI GET - Étude des constructions ETECPO1

5 1. Analyse du mécanisme Objectif : cette analyse va permettre la compréhension du mécanisme de levage. A. Chaîne de transmission de puissance Question 1. : compléter la chaîne de transmission de puissance sur le document réponse 1 à partir du FAST sur DT 3 (indiquer les solutions technologiques intervenant dans cette chaîne). B. Études des solutions technologiques utilisées Question 2. : expliquer, en quelques phrases, pourquoi les engrenages entre les bras 2 et 3 et entre les bras 4 et 5 permettent de répondre à la fonction FT34 (voir DT 9 détails D et E) Question 3. : expliquer, en quelques phrases, l utilité du 5 éme doigt du socle (voir DT 2). Question 4. : décrire la solution constructive utilisée pour réaliser la liaison pivot entre la chape 6 et la tête pivotante 34 (voir DT 9 détail E). C. Modélisation cinématique de la partie 1 (mécanisme de levage) Question 5. : repasser en couleurs les différents sous ensembles cinématiques sur la perspective du document réponse 1. Question 6. : compléter le schéma cinématique spatial sur le document réponse 2 en respectant les couleurs que vous avez choisi précédemment Attention : les engrènements ne sont pas à représenter. 2. Problématique Nous désirons effectuer le dimensionnement du moteur de manière à ce que le mécanisme réponde favorablement aux exigences du cahier des charges en termes de masse qui peut être levée et de temps de montée. Pour cela nous allons décomposer notre étude en quatre parties indépendantes : - Détermination du couple maximal nécessaire au niveau de la vis 9 ; - Détermination de la vitesse de rotation nécessaire au niveau de la vis 9 ; - Étude du réducteur ; - Choix du moteur. 3. Détermination de la vitesse moyenne de rotation de la vis 9 Objectif : en vue du dimensionnement du moteur électrique, nous allons déterminer la vitesse de rotation moyenne de la vis 9 de manière à respecter le cahier des charges. Données : tous les mouvements sont dans le plan ( x r, y r ) Hauteur maximale du cric h MAX = 359 mm Hauteur minimale du cric h = min 106 mm Objectif intermédiaire : nous allons redessiner le cric en position haute pour déterminer le débattement maximal de l écrou 7. Question 7. : déterminer le mouvement de la tête 6 par rapport au bâti 1, noté Mvt 6. 1 Page 1/5 ETECPO1

6 Question 8. : définir, sur la copie, la trajectoire du point G 0 dans le mouvement de 6 par rapport à 1. Elle sera notée T. G 6 1 Attention : le point G matérialise le point de contact entre 6 et le véhicule. Il sera noté, comme tous les autres points, G 0 en position basse, G 1 en position haute. Question 9. : tracer T G 6 et placer la position haute du point G, notée G 1, sur le document réponse 3. 1 Question 10. : placer les points E 1 et F 1 en fonction de la position de G 1 sur le document réponse 3. Question 11. : déterminer le mouvement du bras 5 par rapport à la tête 6, noté Mvt 5. 6 Question 12. : définir, sur la copie, et tracer, sur le document réponse 3, la trajectoire du point D dans le mouvement de 5 par rapport à 6, noté T à partir de la position haute. D 5 6 Question 13. : déterminer le mouvement du bras 3 par rapport au bâti 1, noté Mvt 3. 1 Question 14. : définir sur la copie et tracer, sur le document réponse 3, la trajectoire du point D dans le mouvement de 3 par rapport à 1, notée T. D 3 1 Question 15. : trouver la nouvelle position du point D, notée D 1 et la tracer sur DR 3. Question 16. : par la même méthode, tracer la nouvelle position du point C notée C 1 sur DR 3. Question 17. : mesurer la variation de distance sur l axe x entre [ C D 0 0] et [ ] C 1D 1 sur DR 3, notée Δ dx 8. 7 Objectif final : avec la variation Δ dx 8, les données du cahier des charges sur DT 7 et les caractéristiques de la 7 vis 9 sur DT 5, nous allons déterminer sa vitesse moyenne de rotation. Données : quelle que soit la variation trouvée précédemment nous prendrons Δ dx 8 = 245mm. 7 Question 18. : donner l expression littérale et calculer V C 8. 7 Données : la composition des vitesses en C nous donne V = V + V et V 0 car C est coïncidant à 8 et 9. C 8 C 8 C = C 8 9 Question 19. : en fonction du pas de la vis 9, donner l expression littérale et calculer ω Détermination de l effort axial de la vis 9 sur l écrou 7 Objectif : en vue du dimensionnement du moteur électrique, nous allons déterminer le couple nécessaire au niveau de la vis 9 pour la montée du cric de manière à respecter le cahier des charges. Hypothèses : les liaisons sont considérées parfaites (sans jeu ni frottement) Les pièces 6 et 34 sont considérées encastrées. Les masses des pièces sont négligées. L action du véhicule sur le cric G véhicule cric est orienté vers y. Objectif intermédiaire : pour déterminer le couple nécessaire sur la vis 9 nous allons rechercher à partir de quelle hauteur le véhicule exerce un effort maximal. Page 2/5 ETECPO1

7 Question 20. : d après le graphe ci-après, sachant qu à 150 mm le cric entre en contact avec le véhicule et qu à 280 mm les roues du véhicule quittent le sol, expliciter la forme du graphes en commentant les phases â, ã et ä. G véhicule cric en N h en mm Objectif intermédiaire : pour déterminer l effort nécessaire sur la vis 9 nous allons effectuer une étude statique sur la partie 1 (voir DT 7). Données : nous allons étudier le mécanisme à la hauteur de 280 mm. Toutes les pièces sont représentées dans cette position. Hypothèses : le problème est supposé plan, ce qui nous permet de faire une étude graphique. Lorsque le cric est en position verticale, les efforts sur les dentures sont nuls : ON SE PLACE DANS CE CAS Lorsque le cric est en position décalée par rapport à la verticale : des efforts sont reportés sur les dentures. Question 21. : faire le bilan des actions mécaniques extérieures au bras 5 en remplissant le tableau dans DR 4. Question 22. : en déduire, tracer et justifier sur le document réponse 4 les directions des efforts F 6 5 et D 7 5 notées Δ F 6 5 et Δ D 7 5. Question 23. : faire le bilan des actions mécaniques extérieures à la tête 6 en remplissant le tableau dans DR 5. Question 24. : en déduire, tracer et justifier sur DR 5, la direction de E 4 6 notée Δ E 4 6 Question 25. : déterminer et justifier graphiquement sur DR 5 les efforts E 4 6 et F 5 6. Données : quel que soit l effort trouvé précédemment nous prendrons F5 6 = 7100 N. Page 3/5 ETECPO1

8 Question 26. : faire le bilan des actions mécaniques extérieures au bras 3 en remplissant le tableau dans DR 6. Question 27. : en déduire, tracer et justifier sur le document réponse 6 les directions des efforts D 7 3 et B 1 3 notées Δ D 7 3 et Δ B 1 3. Question 28. : faire le bilan des actions mécaniques à l écrou 7 en remplissant le tableau dans DR 7. Question 29. : déterminer graphiquement D 3 7 et D x,9 7 et justifier sur DR Étude du motoréducteur Objectif : nous allons déterminer les caractéristiques du motoréducteur dans le but de dimensionner le moteur électrique. Données : rendement d un engrenage η = 0, 9 engrenage Schéma plan du réducteur en situation Question 30. : calculer le rendement total du réducteur noté η réducteur. Question 31. : calculer le rapport de réduction du réducteur noté r réducteur en fonction des caractéristiques des roues et pignons. 6. Dimensionnement du moteur Objectif : en fonction de toutes les données recherchées précédemment nous allons déterminer le moteur nécessaire au bon fonctionnement du cric. Données : quels que soit les résultats trouvés précédemment nous prendrons les valeurs suivantes : D x = N V, 9 C = 0, 003 m s ω 8,2 rad 9 = η = 0, 8 7 s réducteur η vis / écrou = 0,37 r réducteur = 0, 017 Page 4/5 ETECPO1

9 Hypothèses : il y a conservation de l énergie, au rendement près, entre la puissance utile au niveau du système vis écrou et la puissance absorbée par le moteur. D x, 9 7 V C 8 7 Système vis écrou Réducteur à engrenages C moteur ω ω 9 moteur 7 η vis / écrou Question 32. : déterminer la vitesse de rotation de l axe moteur noté ω m en fonction de ω 9 et de r réducteur. 7 Question 33. : calculer la puissance utile notée P u avant le système vis écrou. Question 34. : déterminer le rendement global noté ηcric en fonction de η réducteur et de η vis / écrou. Question 35. : déterminer la puissance absorbée notée P a en fonction de η cric et de P u. Question 36. : rechercher sur DT 8, la référence du moteur et justifier son choix. 7. Conception d un accessoire Objectif : concevoir un accessoire permettant l utilisation du cric sur sols meubles. Une plaque en PVC fixée au support serait suffisante. Données : pour des raisons d encombrement nous prendrons les dimensions extérieures suivantes : Longueur : 300 mm Largeur : 200 mm Épaisseur : 10 mm Le cahier des charges impose les solutions technologiques suivantes : Mise en position dans une empreinte creusée dans l épaisseur de la plaque sur une profondeur de 3 mm. Maintien en position de la plaque sur le support par une vis CHC M4 x 0,7 tête fraisée. Les cotations nécessaires sont disponibles sur le DT 9 Question 37. : colorier, sur chaque vue de DR 9, les surfaces de contact entre le socle et le sol. Question 38. : dessiner, à main levée, sur la vue de dessous de DR 9, la forme de l empreinte nécessaire à la mise en position du socle dans la plaque. Question 39. : créer l arbre de construction, sur DR 8 de la plaque tel que vous l auriez fait sur un logiciel de modélisation 3D (en utilisant les termes extrusion, révolution, ajout de matière, enlèvement de matière, perçage, taraudage ). - Fin - η r reducteur reducteur Page 5/5 ETECPO1

10 1. Mise en situation Le cric est un outil présent dans tous les véhicules automobiles. Il permet de soulever le véhicule pour pouvoir démonter une roue ou accéder à la partie inférieure du châssis. Pour faciliter ces taches, il s agit ici d un modèle qui présente la particularité d être équipé d un moteur électrique. Photo de mise en situation du cric 2. Diagramme des interacteurs du cric électrique Véhicule Sol FC3 FP1 CRIC ELEC- TRIQUE FC1 FC2 Utilisateur Milieu ambiant Diagramme des interacteurs Fonction principale FP1 : supprimer le contact entre le véhicule et le sol. Fonctions contraintes FC1 : être commandé par l utilisateur. FC2 : résister au milieu ambiant (température, humidité, etc.). FC3 : s adapter au véhicule. DT 1 8ETECPO1

11 3. Perspective globale du système Système de transformation de mouvement Plan supérieur Bras Capteurs FT1 Doigts FT4 Plan inférieur Vue isométrique du cric électrique entier Réducteur à engrenages FT32 Tête pivotante Moteur électrique FT31 Systéme Vis Ecrou SFT331 5 éme doigt Vue isométrique du cric électrique entier Engrenage entre bielles FT34 DT 2 8ETECPO1

12 4. FAST partiel de la fonction principale Fonctions principales et techniques & sous fonctions techniques Solutions technologiques FP1 : supprimer le contact entre le véhicule et le sol. FT1 : prélever et coder la position du cric. FT2 : commander le mouvement. Capteurs de position Boitier de commande sur le fil FT3 : créer le mouvement. FT31 : transformer l énergie électrique en énergie mécanique. FT32 : adapter la puissance motrice. Moteur électrique Réducteur à engrenages FT33 : transformer le mouvement. SFT331 : transformer le mouvement de rotation en mouvement de translation horizontale. SFT332 : transformer le mouvement de translation horizontale en mouvement de translation verticale. FT34 : garder le plan supérieur parallèle au plan inférieur. FT4 : stabiliser l ensemble. Vis Écrou Parallélogramme déformable Engrenages entre les bielles 5 doigts DT 3 8ETECPO1

13 5. Éclaté du mécanisme complet Éclaté du cric entier DT 4 8ETECPO1

14 6. Nomenclature 37 1 bague d'arrêt Sertie sur la vis axe de bras à extrémité filetée M12 x axe de tête riveté 34 1 tête pivotante 33 2 axe de bras inférieur d = 8, riveté 32 2 axe de bras supérieur d = 8, riveté 31 1 butée à billes 12 x 24 x clavette parallèle forme A 4 x 4 x roulement à billes à contact radial ZZ 28 1 anneau d'arrêt torique 12 x roue lente Z 27 = 68 m = 1 mm 26 1 anneau d'arrêt torique 11 x capot 24 4 vis CHC M bouchon 22 1 manivelle Z 22 = 8 m = 1 mm 21 1 roulement à billes à contact radial ZZ 20 1 roulement à billes à contact radial ZZ 19 3 vis CHC M carcasse moteur avec stator bobiné 17 1 boîtier de fixation du capteur pos. haute 16 1 boîtier de fixation du capteur pos. basse 15 2 capteur pour fin de course 14 4 rivet 13 5 vis fraisée cruciforme M plot 11 1 rotor avec arbre denté Z 11 = 7 m = 1 mm 10b 1 pignon intermédiaire Z 10b = 11 m = 1 mm 10a 1 roue intermédiaire surmoulée Z 10a = vis à filetage trapézoïdal Tr12 x 2,5 8 1 support moteur 7 1 écrou à filetage trapézoïdal Tr12 x 2,5 6 1 chape 5 1 bras supérieur 4 1 bras supérieur 3 1 bras inférieur 2 1 bras inférieur 1 1 socle à 1 filet pas de 2,5 mm hélicoïdal à 1 filet pas de 2,5 mm hélicoïdal Repère Nb Désignation Matière Observations DT 5 8ETECPO1

15 7. Fonctionnement du cric électrique Le cric se présente en configuration pliée dans une malle de transport. On vient placer le cric sous le véhicule au niveau de la marque inscrite sur le châssis. Après branchement sur la prise allume cigare de l automobile, l utilisateur commande le déploiement ou le repli du cric par l intermédiaire d une commande placée sur le fil d alimentation. Position basse, configuration pliée Le cric est mis en mouvement par une chaîne énergétique composée des éléments suivant : Le moteur électrique (constitué de 18 et 11) entraîne un réducteur à engrenages. Position intermédiaire Un ensemble vis (9) écrou (7), à la sortie du réducteur, permet le mouvement du parallélogramme déformable (bras 2, 3, 4 et 5). Ce dernier en se resserrant horizontalement s allonge verticalement Par conséquent la partie supérieure (chape 6, tête pivotante 34 et son axe 35) se déplace verticalement et permet la montée ou la descente du véhicule. Position haute, configuration dépliée DT 6 8ETECPO1

16 8. Étude A. Différentes parties étudiées Partie 1 : mécanisme de levage Partie 2 : réducteur à engrenages Partie 3 : moteur électrique Le mécanisme sera divisé en 3 parties : - Partie 1 : le mécanisme de levage (FT 33 et FT34) ; - Partie 2 : le réducteur à engrenages (FT32) ; - Partie 3 : le moteur électrique (FT31). Voir DT3 Les trois parties seront étudiées indépendamment les unes des autres de manière à vous permettre d avancer dans le sujet. B. Extrait du cahier des charges fonctionnel Fonction Critère Niveau Flexibilité Temps de montée t FP1 : soulever le véhicule du sol d = 1 min 15 s Aucune m = 1 min 15 s Aucune Temps de descente t Masse levable < 1000 kg FC3 : s adapter au véhicule Alimentation électrique 12 V continu 15 A ± 5% Adaptation châssis Tout véhicule automobile particulier Aucune DT 7 8ETECPO1

17 9. Catalogue constructeur moteurs à courant continu Société Parvalux DT 8 8ETECPO1

18 , M4 x 0,7 151 D (1 : 1) ,50 DETAIL E 71 A Seule la partie levage est représentée, sans réducteur et sans moteur. Les filetages sont représentés en mode simplifié. 4 G E 6 5 DETAIL C C E F 5 7 C A D D B A COUPE A-A DT9 CRIC ELECTRIQUE Baccalauréat STI Genie Electrotechnique 8ETECPO1

19 Question 1 : chaîne de transmission de puissance Moteur électrique Véhicule Sol Question 5 : sous-ensembles cinématiques DR1 8ETECPO1

20 Question 6 : schéma cinématique spatial Le cric est utilisé en position verticale et donc aucun effort n est reporté sur les dentures, celles-ci ne sont donc pas schématisées ci-dessous. z y x r DR2 8ETECPO1

21 Questions 9, 10, 12, 14, 15, 16 et 17 : Course du point D. Δ dx 8 7 =. G 0 DR3 y r x r 8ETECPO1

22 Question 21 et 22 : actions extérieures au bras 5. Mettre un? pour les inconnues du bilan dans le tableau. Action Point d application Direction Sens Intensité F D x r r y Justification :... DR4 8ETECPO1

23 Question 23, 24 et 25 : actions extérieures à la tête 6. Mettre un point d interrogation (?) pour les inconnues du bilan dans le tableau. Action Point d application Direction Sens Intensité Échelle des forces : 10 mm = N G E F EC FD E 4 6 = x r r y F 5 6 = Justification : DR5 8ETECPO1

24 Question 26 et 27 : actions extérieures au bras 3. Mettre un? pour les inconnues du bilan dans le tableau. Action Point d application Direction Sens Intensité B D x r r y Justification : DR6 8ETECPO1

25 Question 28 et 29 : actions extérieures à l écrou 7. Mettre un? pour les inconnues du bilan dans le tableau. Hypothèses : D x,9 7.est la composante horizontale de l effort de la vis 9 sur l écrou 7. Action Point d application Direction Sens Intensité D D x x positif x,9 7 Échelle des forces : 10 mm = N D FD BD D 3 7 D x 9 7 = = Justification : x r r y DR7 8ETECPO1

26 Question 39 : arbre de construction de la plaque pour sols meubles. Cotation de l esquisse Fonction de construction Résultat Fonction technologique : création du volume enveloppe de la pièce z y Opération : ajout de matière par extrusion d épaisseur 10 mm. Plan A Sur le plan A DR8 8ETECPO1

27 DR9 CRIC ELECTRIQUE Baccalauréat STI Genie Electrotechnique 8ETECPO1