Lampe dynamo à pression poignet avec un système de rochet Rapport de CAO Benjamin SALAUN-PENQUER - Fatima LAGMOUCH
Remerciements : Nous tenons à remercier l équipe pédagogique composée de M. Barthélemy ZOZ, M. Hakim BOUDAHOUD, M. Patrick TRUCHOT, pour avoir assuré la partie théorique et pratique de la formation C.A.O.
SOMMAIRE Introduction I. Contexte a. Historique b. Brevet c. Rôle du produit II. Description et étude du système p.3 p.4 p.6 a. Les différents composants du système b. Le fonctionnement c. Etude et mesure d élément du système III. Solidworks p.12 Conclusion p.15
INTRODUCTION Aujourd hui un ingénieur doit être capable de comprendre et de mettre en place un système technique (composé d un ensemble de différentes fonctions) pour répondre à un besoin, une demande Il doit donc comprendre les différentes interactions, contraintes et incompatibilité des fonctions qui composent le système. La CAO ou conception assistée par ordinateur permet de concevoir des systèmes très complexe dans différents domaines comme la mécanique, l électronique, l architecture ou la chimie. La CAO présente un avantage en conception puisqu il permet de prévoir le comportement d un système (complexe ou non) avant même qu il n existe et de le faire évoluer virtuellement. On peut dire que la CAO est aujourd hui présente et même indispensable dans de nombreux domaines puisqu il est très rapide de représentée des systèmes avec des logiciels de CAO et que cela permet à de nombreuses entreprises de rester très compétitives. Cette année nous avons disposé de quelques semaines pour s initier ou se perfectionner à l utilisation d un logiciel de CAO, Solid Works et pour avoir une première approche de ce qu est la conception d objet (mécanique). Avec mon binôme nous avons choisi une Lampe dynamo à pression poignet avec un système de rochet. Nous avons choisi cet objet car il correspondait aux critères que nous nous étions fixés : - un système mécanique suffisamment complexe pour être validé par le corps enseignant - un objet correspondant à notre niveau de maîtrise du logiciel - un objet qui nous intéressé tous les deux - un objet dont le prix ne dépasse pas 6
a. Historique I. CONTEXTE Le principe de la dynamo a été découvert par Michael Faraday au XIX siècle. La dynamo repose sur la création d un courant induit dans un circuit fermé à l aide d un aimant. Faraday montra qu il était possible d induire un courant en déplaçant le conducteur électrique alors que la source magnétique reste fixe. disque conducteur tournant dans un champ magnétique PRINCIPE DU DISQUE DYNAMO DE FARADAY : un disque conducteur tournant dans un champ magnétique (voir dessin), est entraîné par une courroie et une poulie. Le circuit électrique était ensuite refermé par des contacts fixes (balais) frottant le disque sur sa jante et sur son axe. Ce n est pas une conception très pratique d une dynamo (à moins que l on cherche à générer de grands courants à basse tension). Fonctionnement d une dynamo : C est un appareil électrique qui, en absorbant de l énergie mécanique, produit un courant pulsateur que l on peut considérer comme continu et dont la tension dépend de la vitesse de rotation. La production de courant se fait par une bobine tournante dans un champ magnétique d un aimant. Le courant fourni étant alternatif, il doit être redressé pour être utilisé, cette opération est réalisée par les balais, appelés charbons. D autres chercheurs comme Zennode Gramme ou Thomas Edison ont repris et amélioré l idée de Faraday. D ailleurs le Belge Zenode Gramme déposera un brevet en 1871 D abord utilisé à l échelle industrielle comme source d alimentation à de grand four, son utilisation s est étendue au domaine de l urbanisme. Ces installations étant très encombrantes son utilisation s est vu réduite laissant place à d autre source d énergie plus performantes et moins encombrantes. Aujourd hui on utilise le système de dynamo pour des applications nécessitant un faible voltage comme les radios, les lampes de poche.. Son utilisation la plus courante est sur les vélos. Dans le contexte écologique actuel, de nouveaux appareils ont fait leur apparition, proposant une alternative aux systèmes à piles, mais en restant dans le domaine du «gadget». De nos jours, la dynamo représente davantage un atout marketing qu une application essentielle. Toutefois, le principe de rotation introduit par la dynamo est encore
utilisé à grande échelle dans les station hydroélectrique où la force développée par l eau met en mouvement des turbines de grandes tailles et dans les centrales thermique où la roue est entraîné par les vapeurs produite par la combustion des carburants. b. Rôle du produit Une lampe dynamo converti l énergie musculaire de son utilisateur pour générer de la lumière. La lampe de poche dynamo est un produit qui est réputé pour être toujours prêt à l emploi et fiable : jamais en panne car pas de piles usées. L absence de consommables jetables donne à ce produit un caractère écologique. Il existe de nombreux modèles de lampe dynamo. Les moins sophistiqués utilisent une ampoule et ne stockent pas l énergie électrique produite musculairement. Les modèles les plus performants, comme celui que nous avons choisi utilisent des leds et comportent une réserve d éclairage par stockage de l énergie produite. La lampe de poche dynamo répond à de nombreux besoin dont : - trouver une alternative écologique à l utilisation de pile - trouver une alternative au manque d énergie en cas de besoin - être facilement transportable. Expression fonctionnelle du besoin : FP1 éclairer l environnement proche en autonomie énergétique FC1 être esthétique FC2 être facile à ranger et à transporter FC3 résister à l ambiance extérieur c. Brevet Le premier brevet sur le système de la dynamo fut déposé par l inventeur de la «machine à courant continu» M. Zénode Gramme en 1871. Nous avons saisi plusieurs mots clé sur le site www.espacenet.com mais beaucoup ne correspondaient pas au produit étudié. - Pour le mot clé DYNAMO nous avons obtenu 1032 résultats dont beaucoup été erroné ce qui nous montre qu il faut être plus précis dans notre recherche. - Pour les mots clés DYNAMO + LAMPE nous avons obtenu 11 résultats entre 1981 et 2007. Notre recherche est plus fine mais aucun résultat ne correspond à notre produit.
- Enfin pour les mots clés DYNAMO + LED nous avons obtenu 5 résultats entre 1996 et 2009 dont aucun ne correspondaient à notre recherche. Nous avons étendu notre recherche aux brevets mondiaux et avons trouvé le brevet correspondant à notre objet dont Liu Shiquan est l inventeur (cf. annexe). II. DESCRIPTION ET ETUDE DU SYSTEME a. Les différents composants du système Roue à rochet et son système à cliquet. Pression poignet Grand engrenage Coques Aimant Système permettant de maintenir la bobine en place
La pression sur la poignée crée un mouvement de translation qui grâce à un arc d engrange compris dans celle-ci entraine le grand engrenage. Le grand engrenage entraine le système à cliquet qui actionne à son tour la roue à rochet. Le phénomène d inertie entraine l amant situé sous la roue à rochet (l aimant reste immobile) Un champ magnétique est alors crée. Le courant induit aliment ensuite grâce à un système électrique un accumulateur d énergie. L interrupteur sue le coté de la lampe permet d allumer les leds b. Le fonctionnement Etude du phénomène dynamométrique La lampe que nous avons étudiée possède une dynamo composée par un aimant mobile placé dans une bobine immobile. Tant que l aimant est immobile, il n y a pas de courant. Quand on approche l'aimant de la bobine, on modifie la valeur du champ magnétique à l'intérieur de la bobine, donc le flux. L'aimant produit toujours le même nombre de lignes de champ, mais c'est le nombre de lignes de champ qui pénètrent dans la bobine qui varie à cause du mouvement. Ce courant induit est alors récupérable et utilisable. Notons que plus l aimant tourne vite et plus le courant induit permet un voltage important.
Roue à rochet La roue à rochet est un dispositif anti-retour limitant un mécanisme rotatif à tourner dans un seul sens. Cette roue est munie sur tout son pourtour d encoches provoquant dans le sens voulu le soulèvement d un cliquet et empêchant la rotation dans le sens contraire. Notre dispositif ne possède pas à proprement parler de roue à rochet mais d en système en quelques points similaires. Le principe est d entraîner une roue suivant un sens de rotation donné et de la laisser tourner dans ce même sens lorsque la rotation des engrenages annexes change. Grâce à ce système, la roue contenant l aimant continue de tourner lorsque la pression manuelle est achevée, contrairement aux engrenages annexes, ce qui représente un gain d efficacité relatif aux tours supplémentaires de la roue. Volant d inertie L avantage amené par la roue à rochet est conforté par un volant d inertie induit par la présence de l aimant. La masse de ce dernier, répartie autour de l axe de rotation confère à l ensemble une plus grande inertie en rotation et permet de faire durer plus longtemps le mouvement avec plus de régularité. Malgré la nécessité d une pression plus importante, le gain en nombre de tour et donc en électricité fournis n est pas négligeable et permet d optimiser le rendement. Etude des matériaux Tout le dispositif d engrenage jusqu à la roue à rochet qui fait tourner la bobine, est formé de plastique. Nous supposons que le choix de ce matériau est du à son faible coût, sa légèreté et pour sa rigidité. Cela est nécessaire pour ce type de produit dédié à tout type de consommateur dans un cadre d utilisation de «loisir». Cette lampe n étant pas un objet haut de gamme pour professionnel, son rapport qualité/prix doit être le plus rentable possible.
c. Etude et mesure d élément du système VITESSE DE LA POIGNEE A PRESSION On considère le solide indéformable et tangent au disque Ce qui nous intéresse c est sa course en fin de parcours or sa durée de parcours est inférieur à 1 seconde on considère alors que la vitesse moyenne est égale à la vitesse en fin de parcours Nous avons fait une estimation de cette vitesse v=d/t d= 1 cm et t = 0.2 s donc v = 20 cm.s Puis à partir du rapport de transmission r= D roue menante /D roue menée = Z roue menante / Z roue menée D roue menante / D roue menée = 4(cm)/0.7(cm) = 5.714 Z roue menante / Z roue menée = 12/84=7 Cette différence de résultat est dû on pense à la règle utilisée pour effectuer la mesure qui est une règle standard non transparente nous aurions dû utilisé un pied à coulisse. Mais la différent est également dû à l appréciation du lecteur mais elle est seulement de l ordre du millimètre Etant donné que le mesure du nombre de dents est plus précise nous garderons ce calcul pour le facteur de transmission.
La vitesse de l aimant est donc de 20 cm.s * 7 = 140 cm.s = 140 * 10-3 m.s = 0.14m.s On pourrait faire cette mesure d autre façon : - En fixant une ficelle a l aimant et mesurer son parcours lors d une pression sur le poignée pour obtenir directement la vitesse de l aimant - En filmant le mouvement et en décomposant en un série d image pour avoir une durée et une distance plus précises - En posant des capteurs sur le système - Avec un stroboscope à fréquence variable l orque la pièce nous semble immobile on relève la fréquence du stroboscope et en déduit la vitesse de la pièce. ENERGIE COMSOMMEE PAR LA LED Pour une lampe dynamo dont les composant sont les suivants : -le moteur : mabachi FA 130 ra (14150) a 3v 3,1A et un output de 0,35W - un accumulateur ni mh de capacité 2500 mah, qui fournir une tension de 1,2V - une LED de 22000 Mcd fonctionnant sur du 3V et 20mA Determinons l'energie qu il faut fournir fournir pour remplir l accumulateur, et le temps de charge de celui ci. Il s agir définir la relation entre le nombre de pression effectué sur la poigné et le temps d'éclairage Experrimentalement nous avons trouvé que pour 1mn d'énergie mécanique on obtient 20mn d'énergie lumineuse. la LED a consomée pendant 20mn est W consommé = P led. t = U led. I led.t = 3,0 x 0,02 x 20 x 60 = 72 Joules Or notre moteur nous fournit au max 0,35W, donc en 1mn il fournit une énergie de 21 Joules. L incohérence dans notre calcul vient certainement du fait que l on tient pas compte du courant induit.
AMALYSE FONCTIONNELLE DU PRODUIT : TRANSFORMATION D ENERGIE MECANIQUE EN ENERGIE ELECTRIQUE :
III. MODELISATION SUR SOLIDWORKS Choix effectués : modélisation à l échelle 1 car objet de bonne taille pour le prototypage. Certaines pièces n ont pas été modélisées comme le système électrique ou de de petit ressort. Problème rencontrés : la réalisation de certaines pièces comme la poignée a été un peu complexe. De même que l assemblage puisque nous avons réalisé les pièces à deux, et que parfois cela impliquait de reprendre les pieces à causes des approximations faites. Explication de la réalisation de la coque face 1 : 1-Dessin de la forme approximative de la coque, puis mise en place des cotations nécessaires. Pour la hauteur totale de la coque j ai tracé un trait du milieu de la spline supérieure au milieu de la partie basse du cercle inférieur. Puis j ai coté ce trait et je me suis m assué que hauteur était comprise en 100 et 110 mm Utilisation des fonctions : trait, cercle, spline, ajuster les entités -> ajuster au plus proche, cotation (verticale, horizontale). Aperçu de l esquisse Puis j ai extrudé la pièce sur une épaisseur de 10.4 mm. J ai ainsi un format brut, utilisant après la fonction coque d épaisseur 1mm nous obtenons ceci : Après divers traitements nous rendons notre pièce le plus proche possible de l original : Fonctions utilisées : congé, dôme (réglage 5, sans continuité), couleur transparente bleu, apparence plastique
Ensuite il faut mettre en place toutes les caractéristiques de la pièce, soit tous les petits détails propres de celle-ci : Détails de l opération : 1. Dessiner l esquisse 2. Extruder ou Enlèvement de matière. Fonctions utilisés : extruder, enlèvement de matière, congé. La partie qui nous a posé particulièrement problème est l enlèvement de matière au niveau d une surface courbe. Après moult essais infructueux, nous avons fini par trouver l astuce suivante : Créer un plan sur une des faces comme ceci : Puis dessiner l esquisse et enfin appliquer la fonction enlèvement de matière :
Finalement en répétant ce processus nous obtenons au final la pièce virtuelle de la coque face 1 :
Conclusion Nous avons ainsi eu l'occasion d'étudier un objet connu de beaucoup de monde mais aussi dont on ne s était pas réellement posé de question sur le fonctionnement. La CAO a été une nouvelle expérience de travail en équipe, le fait d avoir choisi ensemble notre objet d étude nous a d avantage motivé à nous investir dans un projet commun. Les cours de C.A.O, outre faire l étude d'un objet qui nous intéressait, ont été très profitables aussi bien d'un point de vue technique que pratique. Nous avons réalisé en parallèle l étude du fonctionnement de notre système et la modélisation de celui-ci. La modélisation nous a donné l'occasion d'utiliser le logiciel SolidWorks et d avoir un approche des domaines de conception et modélisation. A la fin des séances C.A.O, nous avons réussi à obtenir un résultat satisfaisant en ce qui concerne la modélisation de la lampe mais aussi la compréhension du système. Nous avons donc acquis de nombreuses connaissances que nous sommes désormais capables de mettre en pratique.
Bibliographie et Ressources Sites internet : http://fr.wikipedia.org/wiki/ http://dynamoderne.110mb.com/histoire.htm http://v3.espacenet.com/ http://www.ac-nancymetz.fr/enseign/physique/nouvprog/prem_l/docs/enjeux_planet/prod-energieelec-ch.pdf http://www.geopedia.fr/histoire-eclairage.htm http://www.palais-decouverte.fr/index.php?id=395&l=0 http://www.btscim-morteau.com/img/pdf/dcp-lamp.pdf Logiciels : Logiciel SolidWorks et Photo Works. Références bibliographiques : Cours de C.A.O Rapport de cao ; BROIN Sébastien, GALAS Jean-Baptiste, RHOUM Jordan La lampe dynamométrique à pression poignet, 2010