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Etude et conception d'un banc d'essai semi-automatique d'une boite de v itesses modèle ZF Ecomat 2

SOMMAIRE SOMMAIRE ............................................ .................................................................. ............................................ ............................................. ...................................... ............... 1 Liste des figures ........................................... ................................................................. ............................................ ............................................. .................................. ........... 5 Liste des tableaux ........................................................... ................................................................................. ............................................. ...................................... ............... 9 Présentation de la société……………………………………………………………………...10 société ……………………………………………………………………...10 Cahier de charge………………………………………………………………………………12 charge ………………………………………………………………………………12 Introduction générale............................................................. .................................................................................... .............................................. ............................ ..... 13 Chapitre 1 : Présentation de la boite de vitesses automatique............................................. .................................................. ..... 14 1. Introduction .......................................... ................................................................. ............................................. ............................................. ............................ ..... 15 2. Rôle de la boite de vitesses vitesses automatique automatique........................................... .................................................................. ............................ ..... 15 3. Présentation du modèle modèle de la boite étudié ............................................ ................................................................... ........................... 16 3.1.

Désignation ........................................... ................................................................. ............................................ ........................................... ..................... 16

3.2.

Caractéristiques techniques............................................. .................................................................... ....................................... ................ 17

3.3.

La boite de vitesses vitesses ZF: Vue d'extérieur ........................................... ................................................................ ..................... 18

4. Fonctionnement Fonctionnement de la boîte de vitesses automatique ........................................... .................................................... ......... 19 4.1.

A quoi quoi sert une boîte de vitesses automatique ? ........................................... .................................................... ......... 19

4.2.

De quoi quoi se compose une boîte de vitesses vitesses automatique automatique ?...................................... ...................................... 19

5. Les périphériques de la boîte .......................................... ................................................................. ............................................. .......................... 24 6. L’hydraulique de la boite ............................................ .................................................................. ............................................ ............................ ...... 28 6.1.

Présentation ........................................... ................................................................. ............................................ ........................................... ..................... 28

6.2.

Le circuit hydraulique complet de la boite......................................... boite............................................................. .................... 29

7. Circuit électrique interne à la boite ........................................... .................................................................. .................................... ............. 31 8. Schéma cinématique de la boite boite de vitesses 5HP............................................. .......................................................... ............. 32 9. Architecture du système ECOMAT .......................................... ................................................................. .................................... ............. 35 10. Conclusion............................................ ................................................................... ............................................. ............................................. ............................ ..... 36 Chapitre 2 : Etude du banc d’essai ............................................ ................................................................... ............................................. .......................... 37 HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

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1. Introduction .......................................... ................................................................. ............................................. ............................................. ............................ ..... 38 2. Etude des bancs d’essais commercialisés……………………………………………... commercialisés……………………………………………...38 38 2.1.

Emerson industriel automation .......................... ................................................. .............................................. ............................ ..... 38

2.2.

ATD (Aquitaine transmission distribution) .......................................... .......................................................... ................ 39

2.3.

Neichel automative .......................................... ................................................................ ............................................ ................................ .......... 39

2.4.

Clemessy Système d'Essais d'Automation (SEA) ............................................. .................................................. ..... 40

3. Les méthodes d'essais.......................................... ................................................................ ............................................ .................................... .............. 42 4. Eléments constitutifs ........................................... ................................................................. ............................................ .................................... .............. 44 5. Fonctionnement Fonctionnement du banc d’essais ........................................... .................................................................. ....................................... ................46 46 6. Quelques tests à effectuer effectuer ............................................ .................................................................. ............................................ ............................ ...... 47

7.

6.1.

Surveillance de la température ........................................... .................................................................. .................................... ............. 47

6.2.

Surveillance de la résistance des électrovannes électrovannes sur la boîte de vitesses ................ 49

6.3.

Problèmes de la transmission automatique ............................................ ............................................................ ................ 50

6.4.

Diagnostic d’une transmission automatique électronique ..................................... ..................................... 50

6.5.

Problèmes du convertisseur du couple.......................................... ................................................................. ........................... 50

6.6.

Convertisseur du couple : test de décrochage ........................................... ........................................................ ............. 51

Conclusion…………………………………………………………………………... Conclusion………………………………………………………………………… ....52 .52

Chapitre 3 : Étude et conception de la plateforme fonctionnelle du banc d’essai.................... d’essai .................... 53 1. Introduction .......................................... ................................................................. ............................................. ............................................. ............................ ..... 54 2. Vue d’ensemble de la boite de vitesses .......................... ................................................ ............................................. ........................... 54 3. Conception de la plateforme fonctionnelle .......................................... ................................................................. ........................... 55 3.1.

Solutions technologiques technologiques ............................................ ................................................................... ........................................... .................... 55

3.1.1.

Préface ........................................... ................................................................. ............................................ ........................................... ..................... 55

3.1.2.

La base ........................................... ................................................................. ............................................ ........................................... ..................... 56

3.1.3.

Le soubassement soubassement ........................................... .................................................................. ............................................. ........................... ..... 58

3.1.4.

Assemblage de la plateforme.......................................... ................................................................. ................................ ......... 60

3.2.

Positionnement de la boite dans la plateforme....................................... plateforme....................................................... ................ 61

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4. Dimensionnement Dimensionnement des éléments de la plateforme plateforme ............................................ ......................................................... ............. 62 4.1.

Etude statique ........................................... .................................................................. ............................................. ....................................... ................. 62

4.1.1.

Contraintes............................................ .................................................................. ............................................ .................................... .............. 64

4.1.2.

Déplacements Déplacements............................................ .................................................................. ............................................ ................................ .......... 65

4.2.

Étude fréquentielle et dynamique .......................................... ................................................................. ................................ ......... 65

4.2.1.

Fréquences Fréquences de résonances........................................... .................................................................. .................................... ............. 66

4.2.2.

Contraintes............................................ .................................................................. ............................................ .................................... .............. 66

4.2.3.

Déplacements Déplacements............................................ .................................................................. ............................................ ................................ .......... 67

5. Conclusion............................................ ................................................................... ............................................. ............................................. ............................ ..... 68 Chapitre 4 : Choix et dimensionnement des composants co mposants du banc d’essai ............................... ............................... 69 1. Introduction ........................................... ................................................................. ............................................ ............................................. ................................ ......... 70 2. Choix des composants du banc d’essai ......................................... ............................................................... .................................... .............. 70 2.1.

Système d’entrainement .......................................... ................................................................. ............................................. .......................... 70

2.1.1.

Choix de l'unité d'alimentation en puissance............................................. .................................................. ..... 71

2.1.1.1. Choix du moteur moteur : ............................................ ................................................................... ........................................... .................... 71 2.1.1.2. Choix du variateur (Alimentation en en courant courant continu) continu) : ............................. ............................. 73 2.1.2. 2.2.

Choix du multiplicateur à poulies et courroies ............................................. ................................................. 73

Choix des roulements :............................................ ................................................................... ............................................. .......................... 75

2.3. 2.3. Choix Choix de l’accoupleme l’accouplement nt élastique ............................................ ................................................................... ............................ ..... 76 2.4.

Choix du capteur de couple............................................. .................................................................... ....................................... ................ 77

2.5.

Choix du joint de cardan double homocinétique .......................................... ................................................... ......... 78

2.6.

Frein à courant de Foucault............................................. .................................................................... ....................................... ................ 79

2.6.1.

Principe de fonctionnement ............................................ ................................................................... ................................ ......... 79

2.6.2.

Dimensionnement Dimensionnement du frein ......................................... ............................................................... ................................... ............. . 81

3. Conclusion…………………………………………………………………………….... Conclusion……………………………………………………………………………....86 86 Chapitre 5 : Instrumentation........................................... ................................................................. ............................................ .................................... .............. 87 1. Introduction : ............................................ .................................................................. ............................................ ............................................. ........................... 88 HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

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2. Reproduction du système de commande de l’autobus : ................................................ 88 2.1.

Eléments de commande : ....................................................................................... 89

2.1.1.

Capteur de charge : ......................................................................................... 89

2.1.2.

Kick-down S1 ................................................................................................. 92

2.1.3.

Sélecteur (ou commutateur de commande) .................................................... 92

2.1.4.

Ralentisseur .................................................................................................... 93

2.1.5.

Capteur de température................................................................................... 96

2.1.6.

Echangeur thermique……………………………………………………….98

2.2.

Cycle de pilotage.................................................................................................... 98

2.2.1.

Choix du cycle ................................................................................................ 98

2.2.2.

Présentation du faisceau électrique du banc (Branchement) ........................ 105

3. Chaine d’acquisition ....................................................................................................107 3.1. Partie matérielle…………………………………………………………………108 3.1.1. Capteurs ............................................................................................................... 108 3.1.1.1. Capteurs des pressions .................................................................................. 108 3.1.1.2. Capteurs des vitesses : .................................................................................. 115 3.1.1.3. Capteurs des couples .................................................................................... 116 3.1.2. Choix de la carte API…………………………………………………………..117 3.2.

Partie logicielle .................................................................................................... 121

3.3.

Partie communication……………….………………………………………….122

3.3.1. Protocole de communication…………………………………………………..122 3.3.2. Communication matérielle……………………………………………………..125 4. Conclusion................................................................................................................... 127 Conclusion générale ............................................................................................................... 128 Perspectives………………………………………………………………………………….128 Référence bibliographique ..................................................................................................... 129 Annexe ................................................................................................................................... 131 HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

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Liste des figures Figure 1.Locale de la SORETRAS.......................................................................................... 10 Chapitre 1 Figure 1. 1. Schéma explicatif du rôle de la bva ...................................................................... 15 Figure 1. 2. Boite de vitesse automatique ZF Ecomat 2 (5 HP) ............................................... 16 Figure 1. 3.Désignation générale du modèle ZF Ecomat 2 .................................................... 17 Figure 1. 4.La boîte de base modèle ZF Ecomat 2 : vue d’extérieur ..................................... 18 Figure 1. 5. Description des composants de la bva ZF Ecomat 2 (5/6 HP) ............................. 19 Figure 1. 6. Train épicycloïdal ................................................................................................. 20 Figure 1. 7. Embrayages et freins de la bva ............................................................................. 21 Figure 1. 8. Principe de fonctionnement du convertisseur de couple ...................................... 22 Figure 1. 9. Module électrohydraulique de la bva ZF Ecomat 2 ............................................. 23 Figure 1. 10. Composition du ralentisseur ............................................................................... 24 Figure 1. 1 1.Le sélecteur de marche (A2) ............................................................................... 25 Figure 1. 1 2.Le boîtier électronique (A1)................................................................................ 25 Figure 1. 1 3.Le robinet de commande du ralentisseur ............................................................ 26 Figure 1. 1 4.Les électrovalves................................................................................................. 26 Figure 1. 1 5.Le contacteur de “commande du ralentisseur” (S2) ........................................... 26 Figure 1. 1 6.L'interrupteur de coupure du ralentisseur (SG) ................................................... 27 Figure 1. 1 7.La sonde de température d'huile de boîte (A6) ................................................... 27 Figure 1. 1 8.L'indicateur de température d'huile de boîte (A5)............................................... 27 Figure 1. 1 9.L'accumulateur hydraulique................................................................................ 28 Figure 1. 20.Le capteur de charge (A3)................................................................................... 28 Figure 1. 2 1.Schéma explicatif des Circuits hydrauliques de la boite..................................... 29 Figure 1. 2 2.Circuit hydraulique complet de la boite ............................................................. 30 Figure 1. 2 3.Les équipements internes à la boite ................................................................... 31 Figure 1. 2 4.Structure de la transmission automatique modélisée .......................................... 32 Figure 1. 25. Schéma cinématique de la boite de vitesses 5HP ............................................... 33 Figure 1. 2 6.Schéma explicatif de différentes vitesses de la BVA ZF Ecomat 2 (5 HP) ........ 34 Figure 1. 2 7.Architecture du système ECOMAT .................................................................... 35


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Chapitre 2 Figure 2. 1. Banc de boite de vitesse/transmission pour la société Emerson ........................... 38 Figure 2. 2. Banc d'essai de validation pour la société Neichel automative............................. 40 Figure 2. 3. Systèmes d'essais de production pour la société Clemessy .................................. 41 Figure 2. 4. La méthode de test du système de transmission en utilisant la simulation en temps réel de travail interne du moteur à combustion et le travail de transmission ........................... 44

Figure 2. 5. Schéma du banc d'essai pour reproduire la simulation. ........................................ 45 Figure 2. 6. afficheur de la température ................................................................................... 48 Figure 2. 7. Câble de mesure Pour vérifier les électrovannes .................................................. 49 Figure 2. 8. Schéma explicatif de la surveillance de la résistance des électrovannes sur la boîte de vitesses................................................................................................................................. 49

Chapitre 3 Figure 3. 1.Schéma en 2D de la bva ZF Ecomat 2 .................................................................. 54 Figure 3. 2.Modèle en 3D dans SolidWorks de la boite de vitesses ....................................... 55 Figure 3. 3.La base de la plateforme ....................................................................................... 58 Figure 3. 4.Levier montant en avant........................................................................................ 59 Figure 3. 5.Levier montant en arrière ...................................................................................... 60 Figure 3. 6. plateforme de la boite de vitesses ......................................................................... 61 Figure 3. 7.Assemblage plateforme-boite de vitesse ............................................................... 62 Figure 3. 8.Répartition des contraintes .................................................................................... 64 Figure 3. 9.Champ du déplacement résultant .......................................................................... 65 Figure 3. 10.Répartition des contraintes de la plateforme ....................................................... 67 Figure 3. 11.Champ de déplacement de la structure de la plateforme .................................... 68

Chapitre 4 Figure 4. 1 .Schéma explicatif des principaux composants du banc d'essais ........................... 70 Figure 4. 2.Principe de sélection du moteur à courant continu LSK....................................... 71 Figure 4. 3. Extrait de catalogue moteur à courant continu...................................................... 72 Figure 4. 4. Accouplement ROTEX élastique en torsion ......................................................... 76 Figure 4. 5. Capteur de couple rotatif série 3000 ..................................................................... 77 HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

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Figure 4. 6. Joint de cardan double homocinétique.................................................................. 78 Figure 4. 7. Schéma de principe d'un frein à courant de Foucault ........................................... 79 Figure 4. 8. Arbre de frein de Foucault .................................................................................... 82 Figure 4. 9. Ensemble arbre disque de frein de Foucault ......................................................... 83 Figure 4. 10. Courbe de freinage .............................................................................................. 85

Chapitre 5 Figure 5. 1. Connexions entre le calculateur EST 146/147 et les différents périphériques de l’autobus. ..................................................................................................................................88

Figure 5. 2. Modulation électrique du Capteur de charge ........................................................ 89 Figure 5. 3. Signal régit par le capteur de charge en fonction de l’angle d’ouverture de papillon du carburant .............................................................................................................................. 90

Figure 5. 4. Tension délivrée par angle de charge.................................................................... 91 Figure 5. 5. Câblage du Sélecteur ............................................................................................. 93 Figure 5. 6. Électrovalves MV1 et MV2 .................................................................................. 94 Figure 5. 7. Circuit pneumatique du ralentisseur ..................................................................... 95 Figure 5. 8. Compresseur à air Brown KR50200 ..................................................................... 96 Figure 5. 9. Capteur de température A6 de l’huile de la boite ................................................. 96 Figure 5. 10. Câblage de l’information de température............................................................ 97 Figure 5. 11. Branchement du capteur de température A6 ....................................................... 97 Figure 5. 12. Refroidisseur type rideau………………………………………………………..98 Figure 5. 13. Allure des passages aux vitesses en fonction du régime moteur ....................... . 99 Figure 5. 14. Installation de la bascule de schmitt ................................................................ .102 Figure 5. 15. Structures de PNP et de NPN en commutation ......................................... ……103 Figure 5. 16. Câblage du système remplaçant le capteur de charge ....................................... 104 Figure 5. 17.Branchement électrique du banc ....................................................................... 106 Figure 5. 18. Structure de la chaine d'acquisition de données ……………………………….107 Figure 5. 19. Schéma explicatif de la transmission de puissance........................................... 109 Figure 5. 20. Allure de la pression de serrage en fonction du temps .................................... 109 Figure 5. 21. Contrôle du passage des vitesses ...................................................................... 110 Figure 5. 22. Schéma explicatif de la séquence régulée ......................................................... 111 HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

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Figure 5. 23. Les prises de pression de la boite ...................................................................... 112 Figure 5. 24. Détecteur de pression OsiSense XMLE ............................................................ 114 Figure 5. 25.Emplacement des capteurs des vitesses sur la boite ……………………………115 Figure 5. 26.Capteur inductif de vitesse……………………………………………………..115 Figure 5. 27.Connexions des éléments électriques internes de la boite de vitesses avec la prise………………………………………………………………………………………….116

Figure 5. 28. Architecture d'une carte Aduino Mega 2560………………………………….117 Figure 5. 29. Composant EEPROM 24LC512………………………………………………119 Figure 5. 30. Câblage de EEPROM………………………………………………………...121 Figure 5. 31.Schéma d’une connexion RS232……………………………………………...123 Figure 5. 32.Connecteur DB9 et fonctions de ses broches …………………………………124 Figure 5. 33.Schéma fonctionnel de la liaison RS232……………………………………...124 Figure 5. 34.Schéma d’un Max232………………………………………...……………….125 Figure 5. 35.MAX232 et le convertisseur élévateur de tension …………………………….125 Figure 5. 36.Connexions des éléments de la ch aine d’acquisition………………………….126


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Liste des tableaux Tableau 1.Classification des autobus de la SORETRAS suivant les boites de vitesses……..11 Chapitre 1 Tableau 1.1. Les caractéristiques techniques générales de bva ZF Ecomat 2 .......................... 17 Chapitre 3 Tableau 3. 1.Classification des aciers par emplois ................................................................. 56 Tableau 3. 2.Fréquences de résonances de la plateforme ....................................................... 66 Chapitre 5 Tableau 5. 1. Cycle de pilotage .............................................................................................. 101 Tableau 5. 2. Les entités à contrôler et les valeurs requises le long du cycle de pilotage ..... 101 Tableau 5. 3. Liste des connecteurs se trouvant dans le branchement ................................... 105 Tableau 5. 4 .Mesure des pressions ........................................................................................ 113 Tableau 5. 5. Caractéristiques techniques des détecteurs de pression OsiSense XMLE ....... 113 Tableau 5. 6. Choix des détecteurs de pression aux points de raccordement ........................ 114 Tableau 5. 7.Car actéristiques électriques des capteurs (pour la programmation de l’API) ...121 Tableau 5. 8.Table d’Adressage…………………………………………………………….122


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Présentation de la société La Société Régionale de Transport du Gouvernorat de Sfax « SORETRAS » est une société anonyme ayant comme lieu de Siège social : Route Menzel Chaker Km 0,5 Rue Mouna – 3058 Sfax, Tunisie. Elle a comme rôle le Transport Public Collectif de Voyageurs par autobus et autocars sur les lignes urbaines, régionales et interurbaines. Elle a été créée le 17 avril 1963 avec un capital initial de 150.000 DT pour assurer le transport de voyageurs et de marchandises. A partir du premier janvier 1988, le transport de marchandises a été dissocié de l'activité de la SORETRAS qui se consacre à partir de cette date exclusivement au transport de voyageurs. Le capital actuel de la SORETRAS est de 1.197.000 DT.

Figure1. Locale de la SORETRAS La vocation des employés de la SORETRAS dépasse le transport des passagers, ils doivent aussi veiller au bon fonctionnement des véhicules de transport. En effet, La SORETRAS dispose d’ateliers de réparation spécialisés chacun dans différents organes de l’autobus. En particulier, l’atelier de la transmission s’occupe de la maintenance préventive ainsi que curative des boites de vitesses.


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Les autobus disponibles actuellement dans la société, classés en termes de modèle de la boite de vitesses installée, sont montrés dans le tableau ci-dessous :

Tableau 1.Classification des autobus de la SORETRAS suivant les boites de vitesses Total Marque VOITH Référence 851.3 851.2 851.3E 854.3E 863.3 863.3E 864.3E 864.5 69 3 20 6 17 43 31 2 Nb° Marque ZF 4 HP 5 HP 5 HP 6 AP 5/6 HP 6 HP 6 HP 6 HP Référence 590 500 590 1700 B 502 C 592 C 602 C 604 C 43 2 2 19 4 33 11 19 Nb° Marque Allison Référence B 3000 30 Nb° Marque ETN Référence FO-4106 B 16 Nb°

-

191

6 HP 604 C 60

193

30

16 430

Seuls l’ETN sont des boites de vitesses mécaniques, c’est plus de 96% d’autobus équipés avec des boites de vitesses automatiques. A ce niveau, Les boites de vitesses ZF consiste près de 47% de l’ensemble des marques utilisées au sein de l’entreprise. Lors de la révision de la boite de vitesses, au-delà du fonctionnement singulier des éléments, rien ne peut être conclusif. La boite de vitesses doit être remis en place et tester vaguement sur la route. C’est dans ce sujet que notre projet s’inscrit. On essayera dans le présent ouvrage d’étudier et concevoir un banc d’essai permettant de surveiller le fonctionnement ainsi que la per formance des boites de vitesses automatiques après intervention. L’étude sera consacrée aux modèles Ecomat 2 5/6 HP 502/592/602 de la marque ZF vue la complexité des technologies adoptées et la sévérité et la minutie exigée lors de la maintenance.


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Cahier de charge Titre de projet : Etude et conception d'un banc d'essai semi-automatique d'une boite de vitesses modèle ZF Ecomat.

Société : Société Régionale de Transport de Sfax [SORETRAS] Encadreur industriel : Oussama MAHRESSI Objectifs Le but de ce projet consiste à faire l’étude et la conception d’un banc d’essai semi-automatique pour le diagnostic des boites de vitesses automatiques modèle ZF Ecomat 2 HP 502/592/602 après maintenance.

Travail demandé Le travail souhaité sera subdivisé en les étapes suivantes : 

Faire une étude bibliographique.



Présentation générales des différents bancs commercialisés.



Etude et conception du bâti de fixation de la boite de vitesses permettant de supporter les sollicitations lors du fonctionnement.



Choix du moteur et instauration de la chaîne de transmission jusqu’à la boite pour un fonctionnement en charge.



Choix d’instrumentations nécessaires pour le captage d’informations.



Élaboration et programmation de la chaîne d’acquisition des données.


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Introduction générale La disponibilité d'un banc d'essai pour l'étude d'un mécanisme est toujours un atout dans la conception ou l'analyse des systèmes mécaniques. Cependant, il est important de bien comprendre les données analysés afin d'en tirer le plus d'information possible. Il faut aussi prendre en considération les limites du banc d'essai, c'est-à-dire son niveau de précision et le nombre réduit de capteurs utilisés. Théoriquement, un grand nombre de capteurs serait requis pour connaître tous les phénomènes physiques dans le mécanisme, mais en pratique, il faut respecter les budgets et les échéanciers. En composant avec ces contraintes, il est tout de même possible d'obtenir certaines informations essentielles au développement d'un projet. Ce rapport porte donc sur l’étude et la conception d’un banc d’essai semi -automatique, d’une boite de vitesses automatique modèle ZF Ecomat 2 (5/6 HP) , en collaboration avec la société

SORETRAS. Afin d'obtenir une bonne répétitivité et la cohérence des résultats, le banc d'essai doit être asservi électroniquement. Une fois tous les capteurs bien calibrés, des essais expérimentaux serviront à valider les résultats du modèle mathématique développé parallèlement. Ce mémoire est composé de cinq chapitres : Le premier chapitre comporte les informations de bases concernant la présentation du modèle de cette boite. Le deuxième chapitre concerne l’étude du banc d’essais et présente également un recueil d'information sur le banc qui aidera à sa compréhension générale. Le troisième chapitre présente l’étude et la conception de la plateforme fonctionnelle du banc d’essais. Le quatrième chapitre discute le choix et le dimensionnement des composants du banc d'essais. Le cinquième chapitre présente l’instrumentation du banc d’essais.

Mots clés : boîte de vitesses automatique ZF Ecomat 2, étude et conception, analyse, dimensionnement, instrumentation du banc d’essais, ect…


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Chapitre 1 : Présentation de la boite de vitesses automatique


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Etude et conception d'un banc d'essai semi-automatique d'une boite de v itesses modèle ZF Ecomat 2 1.

Introduction

Pour affiner la conception du banc d’essai d’essai de boite de vitesses, il faut bien maitriser la technologie de cette boîte de vitesses. En effet, cet organe est considéré une merveille de la technologie moderne où une myriade de systèmes coexistent et se harmonisent pour assurer un fonctionnement optimal. De ce fait, ce chapitre comporte les informations de base sur la boite de vitesses objet de notre étude.

2.

Rôle de la boite de vitesses automatique

La boite de vitesses automatique joue un rôle intermédiaire de transmission de la puissance de traction ou de propulsion entre le moteur d’un véhicule automobile et ses roues, nécessaire pour son déplacement.

Figure 1.1. Schéma explicatif du rôle de la BVA [1] Les données nécessaires nécessaires à la marche du véhicule (puissance et couple) varient en fonction de la puissance résistante (Pr) régie : 

des forces de frottement (Résistances au roulement)



des résistances à l’accélération.



de la résistance de pénétration dans l’air . l’air .

Le couple moteur étant limité et le couple résistant étant essentiellement variable, il est nécessaire d'adapter le rapport de démultiplication aux conditions de conduite. Dans les transmissions courantes, on se contente de boîtes de vitesses permettant d’intercaler entre le moteur et les roues motrices un certain nombre de démultiplications fixes. Cela pose un problème d’efficience dans le choix du rapport adéquat. HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

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La boite de vitesses automatique permet de gagner en efficacité en assurant la synchronisation synchronisation automatique entre les différents organes en jeu.

3.

Présentation Présentation du modèle de la boite étudié

Les boites de vitesses ZF Ecomat 2 HP 502/592/602 sont des systèmes de transmission de puissance modernes modernes et polyvalents. Elles appartiennent à la 2 ème génération de la transmission automatique Ecomat conçues par le groupe allemand de fabricants de pièces de voiture ZF Friedrichshafen. Assurant un compromis entre forte puissance à basse vitesse et vitesse maximale élevée au moyen de rapports proches dans la transmission transmission planétaire, elles sont employées employées pour les autobus urbains, les autobus de service en ligne et les autobus de route.

Boite de vitesse automatique ZF Ecomat 2 (5 HP) HP) [1] Figure 1.2. Boite [1] 3.1.

Désignation

La figure 1.3 montre la désignation de la boite de vitesses étudiée.


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Figure 1.3. Désignation générale du modèle ZF Ecomat 2 [1] 3.2.Caractéristiques techniques

Les caractéristiques techniques générales sont résumées dans le tableau 1.1:

Tableau 1.1. Les caractéristiques techniques générales de BVA ZF Ecomat 2 [2]

1)

uniquement pour les montages spécifiques moteurs (EEC 1/2)

2)

avec i = 0,59 ; n max = 2 000 min-1

3)

pour les véhicules urbain qui ont plus de 18 t de PTAC uniquement démultiplication i = 2,81

4)

boîte de vitesses avec ralentisseur et refroidissement liquide (sans huile) -

Fréquence d’entraînement de la boîte de vitesses inférieur à 40 Hz « f< 40 Hz »

-

Quantité d’huile lors du premier remplissage : environ 30 Litres

-

Quantité d’huile à la vidange : environ 14 - 17 Litres et ρh= 0.83 kg/L


17

Etude et conception d'un banc d'essai semi-automatique d'une boite de v itesses modèle ZF Ecomat 2 3.3.La boite de vitesses ZF : vue d’extérieur

Considérons tout d’abord la BVA comme étant une boite noire, cela peut être illustré dans la figure 1.6 :

Figure 1.4. La boîte de base modèle ZF Ecomat 2 : vue d’extérieur [1] La boite de vitesses automatique comprend :

Un carter : en plus de la protection mécanique, il assure l’étanchéité (puisque tous les éléments mécaniques sont submergés dans de l’huile synthétique). Il sert en effet, de canalisation pour la circulation de l’huile entre les différents compartiments internes. Un carter d’huile : situé dans la partie inférieur, il constitue la

zone d’assemblage de l’huile et

contient le filtre de l’huile. C’est par ici que s’effectue la vidange.

Un convertisseur : placé à l’entrée (convertisseur Föttinger) avec embrayage de pontage, c’est un coupleur hydraulique qui transmet la puissance du moteur vers la BVA.

Raccords du refroidisseur : forment les connexions avec l’échangeur. C’est le circuit de circulation du fluide de refroidissement. Fiches de connexions : pour l’alimentation et la communication de la boite avec ses périphériques.

Prises de pressions, tachymétriques et de vitesses : pour lire les données des capteurs préinstallés.


18


Fonctionnement de la boîte de vitesses automatique

4.1. A

quoi sert une boîte de vitesses automatique ?

Une boîte de vitesses automatique sert à transmettre le couple moteur aux roues d’un véhicule en adaptant les caractéristiques du moteur aux conditions de circulation et à la commande du conducteur. Grâce au système automatique, c’est le véhicule qui gère seul le changement de rapport (la vitesse du levier à enclencher) en fonction de paramètres tels que le régime moteur, la position sur la pédale d’accélérateur et la vitesse du véhicule. La boîte de vitesse automatique a pour principal avantage d’être très confortable à l’usage, notamment en ville et dans les embouteillages où les changements de rapports sont fréquents. 4.2.Composition interne d’ une boîte de vitesses automatique

La figure 1.5 montre la composition interne d’une boite de vitesses a utomatique.

Figure 1. 5. Description des composants de la bva ZF Ecomat 2 (5/6 HP) [15]


19

Etude et conception d'un banc d'essai semi-automatique d'une boite de v itesses modèle ZF Ecomat 2 o

Engrenages :

Les engrenages sont le cœur de la boîte de vitesse. Ils permettent d’obtenir les rapports de couple. Dans une boîte de vitesses automatique, ces engrenages sont arrangés sous forme de trains épicycloïdaux ou de trains planétaires. La boîte de vitesses ZF ECOMAT utilise le système des trains épicycloïdaux pour réaliser les différents rapports de démultiplication. On désigne sous le terme de train épicycloïd al, un ensemble d’engrenages disposés concentriquement. Chaque satellite tourne autour d’un axe fixé sur un support nommé porte -satellites. Le planétaire, le porte-satellites et la couronne ont un même axe de rotation.

Figure 1. 6.Train épicycloïdal Pour réaliser une transmission du mouvement, il faut avoir : 

Un des éléments utilisé en moteur,



Le second servant de point d’appui,



Le troisième se trouvant récepteur.

Ces éléments peuvent être indifféremment planétaire, couronne ou porte- satellites. L’élément point d’appui peut être, soit fixe, soit animé d’un mouvement de rotation plus ou moins important provoqué par un autre train épicycloïdal, ce qui procure de nombreuses possibilités de modification du mouvement.


20


Embrayages et freins :

Les embrayages et freins de la boîte de vitesses sont à “bain d'huile”, actionnés par des pistons hydrauliques, permettent de bloquer ou relier entre eux des éléments des différents trains épicycloïdaux. Toutes les combinaisons de vitesses sont provoquées par l'action d'embrayages ou de freins. La qualité de l'accouplement est due à : 

la surface de contact entre les disques (nombre de disques).



la force de poussée du piston (pression hydraulique).



l'état des disques et de la matière de friction.



le temps de serrage pour éviter le patinage et les à-coups.

Pendant le temps de serrage (approche des disques), l'adaptation des vitesses de rotation se fait par friction des disques contre le film d'huile.

Figure 1. 7. Embrayages et freins de la BVA o

Convertisseur de couple :

La boîte de vitesses automatique ne dispose pas d’embrayage de démarrage. Cette fonction est assurée par un convertisseur de couple. Celui-ci consiste en un coupleur hydraulique : deux turbines (l’une liée au moteur, l’autre à la boîte de vitesses) tournent l’une en face de l’autre dans un bain d’huile et assurent ainsi la transmission du couple. Un dispositif multiplie également le couple venant du moteur au démarrage, permettant ainsi de bonnes performances HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

21


d’accélération. Des systèmes de ressorts intégrés ré duisent les vibrations venant du moteur, surtout dans les bas régimes. Un embrayage de verrouillage s’applique une fois le véhicule lancé, afin d’empêcher le glissement du convertisseur et d’annihiler les pertes de puissance par frottement hydraulique. La pompe et la turbine possèdent des aubages permettant de renvoyer l'huile en utilisant au mieux l'énergie transmise. Quittant la pompe liée au moteur, l'huile pénètre dans les aubages de la turbine où son sens est inversé. Le réacteur, fixe, en appui sur un système “roue libre”, récupère l'huile à la sortie de la turbine et corrige l'orientation de son flux afin de lui donner une direction favorable à son retour dans la pompe. Il possède un couple de réaction qui viendra s'ajouter à celui de la turbine.

Figure 1. 8 .Principe de fonctionnement du convertisseur de couple [2] Le rapport de conversion est le rapport entre le couple de la turbine et celui de la pompe. Plus la différence de vitesse entre la pompe et la turbine est grande, plus le rapport est élevé. Le rapport de conversion est d'autant plus grand que la différence de vitesse de rotation est élevée (maximum au démarrage). Le couple de réaction est égal à la différence entre les couples


22


de la turbine et de la pompe. Lorsque la vitesse de rotation de la turbine atteint 80% de celle de la pompe, le taux de conversion est égal à 1. Dans cette condition, l’orientation du flux d’huile est beaucoup plus favorable et le réacteur se désolidarise des galets de la roue libre et tourne librement dans le f lot d’huile. o

Pompe hydraulique :

Une pompe hydraulique fournit la pression et le débit d’huile nécessaire à la commande et à la lubrification des pièces mécaniques. Cette pompe peut être à palettes, à engrenages, déportée et entraînée par chaîne, ou montée dans l’axe de la boîte de vitesses, la pompe de la boîte de vitesses ZF ECOMAT est du type à engrenages. Sa cylindrée est variable et s’adapte automatiquement en fonction des besoins de la boîte de vitesses, en évitant ainsi des dépenses énergétiques superflues. o

Module électro-hydraulique :

Un module électro-hydraulique, situé le plus souvent dans la partie inférieure de la boîte de vitesses, commande l’ensemble des organes mécaniques. Il contient des soupapes et vannes hydrauliques commandées par des éle ctrovannes, qui envoient des débits et pressions d’huile régulés dans les pistons d’embrayage ou dans le circuit de lubrification. Le tout est géré par un module de contrôle électronique qui dialogue avec celui du moteur. Ce module gère les passages de vi tesses et commande les pressions d’huile en envoyant des signaux aux électrovannes. Il peut être monté à l’extérieur de la boîte de vitesses ou, comme dans la boite ZF Ecomat, intégré au module électro-hydraulique.

Figure 1. 9 .Module électrohydraulique de la bva ZF Ecomat 2 [1] HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

23


Equipement complémentaire interne à la boîte, le ralentisseur :

Le ralentisseur hydrodynamique est intégré à la boîte de vitesses. Il est disposé entre le convertisseur de couple et la boîte de vitesses à trains épicycloïdaux Le ralentisseur hydrodynamique de la boîte de vitesses est composé de : - une partie motrice ou rotor, - une partie réceptrice ou stator.

Figure 1. 10.Composition du ralentisseur [1] Le ralentisseur, incorporé dans la boîte de vitesses, permet de prendre en charge une partie de l’énergie de freinage normalement dispersée dans les freins du véhicule. C’est un frein hydrodynamique sans usure. Il se remplit d’huile en phase “ralentisseur” et se vide en phase “route”.

5. o

Les périphériques de la boîte [1] Le sélecteur de marche (A2) :

Le sélecteur de marche présente des boutons poussoirs sur un clavier, à la disposition du conducteur pour le choix du type de conduite.


24


Figure 1.1 1. Le sélecteur de marche (A2) o

Le boîtier électronique (A1) :

Le boîtier électronique commande : 

le bloc électro-hydraulique pour le passage des vitesses.



le processus “ralentisseur”.

L'électronique traite les informations : 

le choix de conduite donné par le sélecteur de marche.



les impulsions données par les deux capteurs de vitesses (entrée et sortie).



les signaux des informations de charge : S1 (KD, info ED1), A3 (info AU).



les gradients d'accélération liés au profil de route et à la charge.



le signal pour la mise en fonction du ralentisseur : S2 (info ED2).



la sécurité en cas de défaillance.



les sécurités diverses ….

Figure 1.12 .Le boîtier électronique (A1) o

Le robinet de commande du ralentisseur

Le robinet de commande du ralentisseur est une commande sur circuit pneumatique pour déclencher tout le processus du ralentisseur hydraulique. Sa commande est au pied ou à main.


25


Figure 1.1 3. Le robinet de commande du ralentisseur o

Les électrovalves :

Sur le circuit pneumatique de commande du ralentisseur, ils sont commandés par le boîtier électronique.

Figure 1.1 4. Les électrovalves o

Le contacteur de “commande du ralentisseur” (S2) :

Sur le circuit pneumatique de commande du ralentisseur, il active le ralentisseur.

Figure 1.1 5. Le contacteur de “commande du ralentisseur” (S2)


26


Le témoin de fonctionnement du ralentisseur (H2) :

Placé sur le tableau de bord, peut être un équipement optionnel. o

L'interrupteur de coupure du ralentisseur (SG) :

Placé sur le tableau de bord, il permet d'interrompre la fonction “ralentisseur”. En interrompant la fonction "ralentisseur", il allume un témoin "d'isolation ralentisseur".

Figure 1.1 6. L'interrupteur de coupure du ralentisseur (SG) o

La sonde de température d'huile de boîte (A6) :

Fixée sur la bride d'huile du refroidisseur, contre la boîte, elle commande l'indicateur de température.

Figure 1.1 7. La sonde de température d'huile de boîte (A6) o

L'indicateur de température d'huile de boîte (A5) :

Placé sur le tableau de bord, il informe le conducteur de la température d'huile de la boîte.

Figure 1.1 8. L'indicateur de température d'huile de boîte (A5) o

Le témoin de température d'huile de boîte :

Placé sur le tableau de bord ou incorporé à l'indicateur de température d'huile, il alerte le conducteur lorsque la température d'huile de boîte est trop élevée. C'est un équipement optionnel.


27


Le contacteur kick-down (S1) :

Placé sous la pédale d'accélérateur, il informe le boîtier électronique de l'état de charge “kick down” pour un passage des vitesses adapté. o

L'accumulateur hydraulique :

Placé contre la boîte de vitesses, il participe au processus de déclenchement du ralentisseur en optimisant les temps de réponse.

Figure 1.1 9. L'accumulateur hydraulique o

Le capteur de charge (A3) :

Placé contre le moteur et commandé par l'accélérateur, il informe le boîtier électronique de l'état de charge pour le passage des vitesses.

Figure 1. 20 .Le capteur de charge (A3) 6. L’hydraulique de la boite

6.1.Présentation

L'hydraulique permet la commande de la boîte (passage des vitesses) et sa lubrification. Elle véhicule les calor ies et assure aussi la fonction “ralentisseur”. HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

28


La figure 1.21 présente les circuits hydrauliques de la boite.

Figure 1. 1.Schéma explicatif des Circuits hydrauliques de la boite 6.2.Le circuit hydraulique complet de la boite

La figure 1.22 présente le circuit hydraulique complet de la boite de vitesses étudiée.


29


Figure 1. 22.Circuit hydraulique complet de la boite [1]


30

Etude et conception d'un banc d'essai semi-automatique d'une boite de v itesses modèle ZF Ecomat 2 7. 

Circuit électrique interne à la boite Les composants électriques internes à la boite :

Les électrovalves commandent les circuits hydrauliques de serrage des embrayages et des freins ainsi que le circuit hydraulique de la modulation de pression (pilotage). Le capteur de turbine et le capteur de sortie (capteurs inductifs) informent le boîtier électronique pour le passage des vitesses. Le capteur de température informe l'indicateur de température d'huile de boîte.

Figure 1.23. Les équipements internes à la boite [1]


31


Schéma cinématique de la boite de vitesses 5HP

Une modélisation des trains de transmission de la BVA est illustrée dans la figure 1.24 :

Figure 1. 24.Structure de la transmission automatique modélisée [3] Avec

J : l’inertie

RR : la couronne de réaction

ODB, LRB : des freins

RC : le plateau porte-satellites de réaction

2B : le frein de la 2éme

OS : arbre de sortie

4B : le frein de la 4éme

ODS, ODR, IRS, RS : arbres des transmissions

OWC1 : le couplage roue-libre

ODC, DC, FC : disques des embrayages


32


La boite de vitesses 5HP possède cinq vitesses de marche avant et une marche arrière. La figure 1.25 présente le schéma cinématique de la boite de vitesses 5HP.

Figure 1. 25.Schéma cinématique de la boite de vitesses 5HP [1] L'embrayage de pontage “H” peut s'enclencher en 1 ère et 2ème suivant la programmation.

Nota : “F1” correspond à “F” sur l'appareil de contrôle. “F2” correspond à “G” sur l'appareil de contrôle. La figure 1.26 présente les différentes vitesses de la BVA ZF Ecomat 2 (5 HP).


33


Figure 1.2.Schéma explicatif de différentes vitesses de la BVA ZF Ecomat 2 (5 HP)


34


Architecture du système ECOMAT

La figure 1.27 présente l’architecture du système ECOMAT.

Figure 1. 27 .Architecture du système ECOMAT [2] Les différents composants du système Ecomat sont : 1 Prise électrique de la boîte de vitesses 2 Prise EST 46 C /

EST 47 C

3 a Prise du capteur de température

b Prise de l’accumulateur

c Prise du ralentisseur

4 Contacteur Kick-Down 5 Prise de raccordement MOBiDIG 6 Sélecteur de conduite (commutateur à touche) 7 Jauge d’huile (contrôle du niveau d’huile, de l’état de l’huile) 8 Soupape de freinage sur pédale pour actionner le frein

de service et la commande continue du

ralentisseur par CAN 9 Valve de modulation du

ralentisseur

10 Affichage de la température (sorties boîte de vitesses) 11 Pédale d’accélérateur 12 Commutateur du ralentisseur Arrêt – Marche


35

Etude et conception d'un banc d'essai semi-automatique d'une boite de v itesses modèle ZF Ecomat 2 13 Réseau de bord 14 Mano-contacteur pour NBS 15 Commande automatique électronique EST 46 C / 16

Levier manuel du ralentisseur, électrique

17

Capteur d’impulsions tachymètre

18

Raccordement avec le réseau CAN Bus

EST 47 C

10. Conclusion

Dans ce chapitre, on a présenté la boite de vitesses automatique, sa composition interne ainsi que les éléments périphériques nécessaires pour son fonctionnement. Le boitier électronique gère toutes les informations provenant de ces périphériques nécessaires pour le fonctionnement de la BVA. De ce fait, le banc d’essai dev ra inclure ou supplanter l’intégralité de ces éléments. Dans le chapitre suivant, on mènera une étude approfondie du banc d’essai.


36


Chapitre 2 : Etude du banc d’essai


37


Introduction

Les bancs d’essais des boites de vitesses, sont fortement développés dans le monde industriel. Ce banc permet de vérifier le bon fonctionnement des boites de vitesses après réparation. Dans ce chapitre, on s’intéresse à la présentation des bancs d’essais de boites de vitesses existants dans l’industrie. On présente par la suite toutes données techniques de ces derniers.

2. Etudes des bancs d’essais commercialisés

2.1.E merson industriel automation [5]

Emerson industriel automation fournit des produits, des solutions et des services qui répondent aux exigences des bancs d’essai pour différentes industries. o

Implantations et ressources mondiales :

Canada, Mexique, Chili, Brésil, Danemark, Belgique, Irlande, Allemagne, Italie, Espagne, France, Maroc, Suisse…

Figure 2. 1. Banc de boite de vitesse/transmission pour la société Emerson o

Applications :

• Essais acoustiques et vibratoires HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

38


• Tests d'endurance et de fatigue • Mesures de rendement • Banc d’acyclisme ou ETPS (Engine Torque pulse simulation) • Synchronisation de tous les variateurs d e sortie • Simulation de route, calcul de couple selon les accélérations et les vitesses à simuler • Simulation de patinage des roues 2.2. ATD

(Aquitaine transmission distribution)

[6]

Une équipe dynamique, une technique avancée, une entreprise spécialisée qui reconditionne tous types de boîtes de vitesses manuelles et automatiques, toutes marques, pour véhicule de tourisme ou utilitaire. o

Implantations : France (Bordeaux et Paris)

ATD dispose de bancs d'essai permettant à chaque boîte de vitesses de subir des tests de contrôle minutieux. o

Applications :

Avant le montage 

S’assurer du bon état de l’embrayage ainsi que des supports de fixation.



Contrôler le diamètre du trou du vilebrequin (bague, roulement).



S’assurer du bon état des transmissions. Vérifier la conformité de la boîte de vitesses.



Sélectionner les différents rapports de la boîte de vitesses avant l’installation sur le véhicule. Le montage



Positionner correctement les pions de centrage entre la boîte de vitesses et le moteur.



Procéder au montage et fixer la boîte de vitesses sans contrainte.



Faire les niveaux d’huile avec la qualité et la quantité d’huile préconisée par le constructeur.



Régler l’embrayage et la timonerie.



Faire l’essai du véhicule sans forcer sur les rapports. 2.3.Neichel automative [7]

Pour les véhicules industriels, camions, autocars et engins de travaux publics.


39


Figure 2. 2. Banc d'essai de validation pour la société Neichel automative o

Applications :

- Chaque nouvelle boîte de vitesse produite doit réussir le test sur le banc d'essai. Le banc d'essai effectue des tâches de base, par ex. premier remplissage d'huile, test de fonctionnement, test de charge et remplissage final d'huile. - Dans différents cycles d'essai les boîtes de vitesse sont testées de manière acoustique, hydraulique et électronique. Pendant le test les différents états de charge sont simulés.

- L'étanchéité des pièces mécaniques est vérifiée dans des stations d'essai de pression. - Selon l'exigence sur les composants, les chambres à pression sont vérifiées indépendamment l'une de l'autre.

- Ainsi, on peut assurer que par ex. les chambres à huile et à eau n'ont pas de connexions accidentelles et que les canaux moulés sont étanches.

- Si des fuites se produisent contre toute attente, ces microfissures peuvent être étanchéifiées à l'aide de résines artificielles. 2.4.Clemessy Système d'E ssais d'Automation (SE A) [8]

Clemessy regroupe les expertises dédiées aux bancs d'essais d'organes ou de groupes motopropulseurs.


40


Figure 2. 3.Systèmes d'essais de production pour la société Clemessy o

Banc d'essais fin de ligne :



Essais de boîtes de vitesses manuelles, pilotées, automatiques, boîtier de différentiels



Bancs semi-automatiques, automatiques, manuels et expertise



Mesure d’effort de passage, vibratoire, conformité des rapports, glissement de différentiel o

Banc de contrôle « chocs » pignons et arbres :



Mesures dimensionnelles, analyse vibratoire



Détection de chocs et écarts dimensionnels sur arbres et pignons o

Banc d’essais analyse dentures de pignons et arbres :



Contrôle conformité, mesures dimensionnelles



Détection et caractérisation défauts denture par analyse vibratoire o



Robots de passage de vitesses :

Actionneurs électriques synchronisés o

Fonctionnalités de base :



Chargement et déchargement automatique en flux traversant



Mise en condition d’essais automatiques



Système rapide de remplissage/vidange du produit



Tests de conformité pignonerie



Tests vibratoires



Test d’efforts de passage /sélection de vitesses



Séquences de tests paramétrables



Sous-ensemble modulaire


41


En option



Base de données



CYCLA (outil de traitement des données)



Robots de passage de vitesses



Tests capteurs spécifiques (marche arrière, point mort…)



Test tachymètre



Modules de mise en diversité



CYVIB, analyseur vibratoire, rapide et fiable

3.

Les méthodes d'essais

Les méthodes d'essais de transmission et, plus généralement, les méthodes d'essai de la chaîne cinématique peuvent être divisées selon l’intérêt qui concerne : 

Le fonctionnement.



La performance.



La durabilité.

Dans ce dernier, ces méthodes sont divisées en types, y compris les tests effectués dans les conditions de charges équivalentes et dans les conditions de la simulation de signaux d'entrée ou de sortie. Dans le premier cas, l'échantillon testé est soumis à des charges équivalentes facilement reproductibles, calculé par la transformation d'un spectre de charges opérationnelles aléatoires en blocs de charges équivalentes déterminées dans le sens de l'endurance. Afin de définir des charges équivalentes, les conditions de charge réelles doivent être déterminés et transformés d'une manière telle qu'un changement dans les résultats de la nature donne les mêmes effets sur la résistance à la fatigue. L’essai de fonctionnement se limite au suivi du démarrage de l’organe donné pendant son temps associé, l’efficacité n’est pas considérée. Ce type est souvent réalisé par un moteur électrique de puissance représentative et la boite est alimentée en boucle ouverte (sans charge à entrainer). L’essai de performance est plus compliqué. Les capteurs doivent être hautement performants et le cycle de charge complexe. La BVA doit passer par tous les modes de fonctionnement possibles et l’identification des défauts plus détaillée. C’est l’objet de notre étude.


42


Une autre alternative est le test par simulation sur la base des signaux de sortie ou d'entrée. Dans la première variante, lors de l'utilisation des signaux de sortie, des programmes de blocs de charge à étages multiples sont utilisés. Pour effectuer ces tests, les bancs d'essai sont équipés de contrôleurs travaillant dans une boucle fermée pour régler les conditions de travail s'il y a une différence entre la valeur de consigne et la valeur réelle des signaux de sortie. Ces bancs d'essai utilisent des moteurs électriques et dynamomètres contrôlées, avec de faibles moments d'inertie pour conduire les transmissions testées, mais ses charges sont reproduites comme constantes au cours des étapes ultérieures Lorsque la seconde variante est utilisée – simulation sur la base des signaux d'entrée – les bancs d'essai d'inertie sont utilisés. Ce type de simulation est une sorte de simulation pronostique, au cours de laquelle la réponse dynamique de transmission ou la réponse de la force du simulateur annotant la résistance d'entraînement du véhicule pour définir les conditions dans le sens de contrôle de transmission (ouverture du papillon, changement de vitesse, etc.) sont simulés. Les conditions d'installation de transmission dans le véhicule et les caractéristiques dynamiques de la transmission du véhicule sont reproduites sur le banc d'essai. Ces approches peuvent être résumées dans la figure 2.4 :


43


Figure 2. 4. La méthode de test du système de transmission en utilisant la simulation en temps réel de travail interne du moteur à combustion et le travail de transmission Selon le besoin la cellule du banc peut : 

Etre entièrement électrique ou avec moteur thermique (essence/diesel). Dans ce cas, elle dispose d’un système de mesure de consommation de carburant.



Etre dédiée aux boîtes de vitesses automatiques ou aux boîtes de vitesses propulsion.



Etre semi-automatique, automatique ou équipée de robot de passage de vitesse pour le test des boîtes manuelles.

L’ensemble des équipements est piloté par un logiciel, en général, équipé d’un système d’analyse vibratoire et d’un logiciel de communication.

4.

Eléments constitutifs

Les principales composantes du banc d’essai comprennent la transmission standard, un système de commande de changement de vitesse automatique A 1 (système de contrôle d’alimentation d’air) et son actionneur. Dans notre cas, c’est le boitier électronique A1.


44


La transmission principale est commandée par un système électrohydraulique, un système électropneumatique est adopté dans la transmission de changement de régime. Les paramètres mesurés de l’ASCS se composent principalement de la vitesse de rotation du moteur des arbres d'entrée et de sortie de boîte de vitesses, l'ouverture du papillon, le déplacement de l'embrayage, les déplacements du sélecteur et actionneur de changement de vitesse, les signaux de marche/arrêt des freins et frein à main. Le banc d'essai se compose principalement du moteur à commande électronique, l’embrayage pour assemblage, le couple métrage sous-système, le sous-système de simulation des forces de la route, boîte de vitesses, et le sous-système de surveillance. Cette étude est résumée dans la figure 2.5 :

Figure 2. 5.Schéma du banc d'essai pour reproduire la simulation. La fonctionnalité du banc d'essai est obtenue après l'intégration des sous-systèmes fonctionnels suivants:



É chantillons à tester



moteur



transmission automatique


45

Etude et conception d'un banc d'essai semi-automatique d'une boite de v itesses modèle ZF Ecomat 2 

L’unité générant le couple des forces de la résistance



volant d'inertie



frein à courant de Foucault



Frein à disque à friction



Système de contrôle - partie matéri elle



l'ordinateur en temps réel (prototype de contrôleur)



un ensemble de capteurs électroniques



un ensemble de sous-systèmes d'actionnement commandés par des signaux électriques, y compris les sous-systèmes pneumatique et hydrauliques



une unité de mesure et de commande pour le contrôle manuel du sous-système du banc



 

application qui contrôle la simulation panneau virtuel pour le contrôle et la mesure





Le système de contrôle - partie logicielle, mis en œuvre avec l'utilisa tion du contrôleur de prototype

Des sous-systèmes de sécurité

sous-système électromécanique de limitation de la vitesse de rotation maximum du volant du banc d'essai



sous-système de sécurité pour la protection de l'évolution des modes de travail du soussystème de transmission

5.

Fonctionnement du banc d’essai

Chaque nouvelle boîte de vitesse (produite, ou après révision) doit réussir le test sur le banc d'essai. Le banc d'essai effectue des tâches de base : 

Cycles d'endurance dentures



Contrôle conformité, mesures dimensionnelles


46


Détection et caractérisation défauts denture par analyse vibratoire



roulements ou passage de vitesses



mesure l'efficacité mécanique



Mesure d’effort de passage



conformité des rapports



glissement de différentiel



suivi de la pression (détection de fuite, surpression, sous-pression, synchronisation)



contrôle du convertisseur



l'enregistrement et l'affichage du processus de changement de vitesse.



Simulation de la charge totale des forces de la route

Dans l’initialisation, l’initialisation, il il doit tenir compte de : 

étalonnage dynamique pour la sélection et le déplacement de l’actionneur et l’actionneur d'embrayage.



test de communication du CAN entre le moteur et l’ ASCS à commande électronique



test de débogage combiné entre commande électronique du moteur, l'embrayage et AMT (transmission manuelle automatisée).

Généralement, il existe différents bancs d’essais d’essai s au sein d’une même entreprise, où chacun possède son son propre intérêt : 

bancs hydrauliques hydrauliques (cyclage (cyclage avec régulation régulation de pression)



banc de test test pompe hydraulique

 

chambre climatique transmission banc de torsion torsion



Banc de contrôle « chocs » pignons et arbres



Banc d'essais fin de ligne



Banc d’essais analyse dentures de pignons et arbres

6.

Quelques tests à effectuer

Sur veillanc illancee de la température rature 6.1. Surv La surveillance de la température s’effectue par l’intermédiaire l’ intermédiaire de l’afficheur.


47


Figure 2. 6.afficheur de la température température [2] [2] Telle que : Températures admissibles : 

Ralentisseur actif

max. 145 °C



Convertisseur actif

max. 110 °C



En conduite normale

max. 100 °C



Température de service

environ. 90 °C

Mesures à prendre en cas de dépassement dépassement de la température d'huile admissible 

Conduire moins en charge et de manière économe



Désactiver le ralentisseur

Si cette mesure n’est pas efficace : 

Stationner le véhicule. Mettre la BV en position neutre. Mettre le moteur en régime maximum.

Si après quelques secondes la température de la boîte b oîte de vitesses ne baisse pas :  

Niveau d’huile trop haut. Circuit de refroidissement liquide défectueux.


48

Etude et conception d'un banc d'essai semi-automatique d'une boite de v itesses modèle ZF Ecomat 2 6.2. Surv Sur veillanc illancee de la résist résista ance nce des élect lectrr ovannes nnes sur sur

la boîte de vi tesse sses

Ce contrôle, se fait par les câblages et les approximations à environ 20°C des résistances, suivantes :

Figure 2. 7.Câble de mesure Pour vérifier les électrovannes [2]

Figure 2. 8.Schéma explicatif de la surveillance de la résistance résis tance des électrovannes sur la boîte de vitesses [2] HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

49

Etude et conception d'un banc d'essai semi-automatique d'une boite de v itesses modèle ZF Ecomat 2 6.3.P r oblèm oblèmees de la transm tr ansmii ssion ssi on autom automati ati que

S’il y a un patinage, une aberration, bruit dans la transmission ou blocage pour un rapport particulier, etc., la liste des causes possibles couvre toute la gamme de niveau d’huile de transmission faible à une pompe, électrovanne, corps de valve ou contrôleur défectueux. Avec les transmissions automatiques électroniques dans les véhicules modernes, balayant les systèmes de diagnostic embarqués peuvent révéler un ou plusieurs codes d'anomalie de diagnostic localisant ainsi le défaut. Mais sur les transmissions automatiques mécaniques anciennes, il n'y a aucun code d'erreur. Le diagnostic nécessite généralement des essais de pression et / ou un essai routier. Les codes de défaut électriques sont définis lorsque le contrôleur de transmission ou PCM (modulateur par impulsions codées) détecte un circuit ouvert ou un court-circuit dans un solénoïde de changement de vitesse ou un autre dispositif. Les codes de performance sont fixés lorsque le contrôleur envoie une commande, comme un changement changement de 2-3, mais la transmission ne répond pas correctement. Avec les codes électriques, vous pouvez utiliser un DVOM (multimètre numérique) pour tester une résistance magnétique. Si le solénoïde est ouvert, court-circuit ou hors spécifications, il peut être remplacé. Les codes de performance, d'autre part, nécessitent un diagnostic plus poussé et sont sont souvent dues dues à des défauts défauts électriques dans dans les capteurs. capteurs.

ssi ssi on auto utomatique ique élect lectron ronii que 6.4.Diagnostic d’une transmi Les boites de vitesses utilisent des capteurs de vitesse pour surveiller les l es changements et ce qui se passe lors de la transmission. Quand une anomalie dans ce sujet survient, un code d'erreur "erreur de ratio" survient pour indiquer un pr oblème pr oblème de changement changement d’engrenages. d’engrenages. La La seule façon d'isoler ces types de défauts est de suivre les diagrammes de diagnostic pour le code (s) particulier.

oblèmees du conver convertitisseur sseur 6.5.P r oblèm

du couple couple

Ce qui peut sembler être un problème de transmission se révèle parfois être un problème de convertisseur de couple. Les roulements à aiguilles usés dans le convertisseur de couple peuvent HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

50


produire du bruit lorsque la transmission est en marche, mais le bruit disparaîtra lorsque la transmission est décalée au point mort. Les roulements à aiguilles sont utilisés à l'intérieur du convertisseur de couple pour séparer le stator du propulseur, le stator de la turbine et la turbine du carter de convertisseur. 6.6.Convertisseur

du couple : test de décrochage

Un "test de décrochage" peut être utilisé sur de nombreuses transmissions pour vérifier sa capacité à maintenir le couple et le fonctionnement du convertisseur embrayage unidirectionnel. Certains fabricants ne recommandent pas l'utilisation d'un test de décrochage, car il met l'accent sur la transmission, donc si cette procédure est utilisée, elle ne peut durer pendant plus de cinq secondes à la fois. Avant de procéder à un test de décrochage, le niveau et l'état fluide est vérifié. On cale les roues et le frein de stationnement. On démarre le moteur et on place le sélecteur dans la position de démarrage tout en maintenant la pédale de frein sous pression de sorte que le véhicule ne se déplace pas. Puis on pousse l'accélérateur au fond tout en maintenant les freins. On note le régime maximal que le moteur atteint. Ceci est la vitesse de décrochage. Si elle est inférieure à des spécifications, le convertisseur de couple patine. Si la vitesse de décrochage est plus élevée que les spécifications, la transmission est glissante. Les causes possibles sont un faible niveau d’huile, filtre à huile restreint, une vanne de régulation de pression bourrée, le glissement des embrayages, des bandes, des cannelures de l'arbre ou d'embrayage. La plupart des derniers modèles automatiques ont un certain type de convertisseur de couple avec verrouillage pour améliorer l'économie de carburant (présent dans notre cas). Si le blocage ne parvient pas à engager, il y aura un certain glissement et l’économie du carburant va baisser. Les causes ici incluent un mauvais blocage de solénoïde, des informations d'entrée de capteur incorrect au contrôleur de transmission (typiquement un capteur de vitesse) et des problèmes de contrôle hydrauliques. Si le blocage ne parvient pas à libérer, le moteur peut frissonner et mourir à l’arrêt. Les causes ici comprennent un solénoïde défectueux de blocage, une soupape de blocage bourrée, mise à la terre de câblage de verrouillage solénoïde ou un écran d'espacement plaque blocage du solénoïde manquant. Une autre plainte peut être rencontrée. Cela fait référence à une vibration qui se fait sentir juste avant ou après le blocage se produit. Ce genre de problème peut être difficile à diagnostiquer HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

51


parce que la cause peut être le convertisseur de couple, ou une source extérieure (le moteur, les joints, l’arbre de transmission…) Un autre problème qui affecte le fonctionnement du convertisseur de couple est une condition appelée "transmission fuite en arrière". Les clapets gardent normalement le convertisseur de couple plein de liquide lorsque le moteur est coupé. Mais si les douilles d'arbre d'entrée de transmission sont usées, il peut créer un chemin pour le fluide à évacuer hors du convertisseur arrière dans la transmission. La perte de fluide à partir du convertisseur de couple peut faire la transmission se sentir comme si elle glisse lors du démarrage pendant environ 5 à 10 secondes.

7.

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons présenté les bancs d’essais existant s au sein de la direction de maintenance des boîtes de vitesses automatiques, en en détaillant les constituants et en explicitant des tests effectués. Un choix entre ses différentes possibilités devra être fait ultérieurement. On débutera par la conception de la plateforme fonctionnelle.


52


Chapitre 3 : Étude et conception de la plateforme fonctionnelle du banc d’essai


53


Introduction

Dans le premier chapitre, on a développé une étude bibliographique afin de découvrir et collecter les informations de base permettant la réalisation de notre projet de fin d ’études. Dans ce chapitre, On va s’intéresser à la conception de la plateforme fonctionnelle de la boîte de vitesses qui répond aux normes et exigences de sécurité souhaitées. 2. Vue d’ensemble de la boite de vitesses

La plateforme à concevoir n’inclura pas les différents éléments du banc dans une seule structure afin de minimiser toute interférence (vibration du moteur, couple torsionnel de freinage…) avec l’essai en question et assurer une fidélité acceptable des capteurs de mesure. La structure étudiée permettra de supporter uniquement la boite de vitesses. La boite de vitesses qui sera testée est présentée en 2D dans la figure 3.1.

Figure 3. 1.Schéma en 2D de la BVA ZF Ecomat 2 [4] Les composantes de cette boite sont : 1) Entrée 2) Faces latérales de montage 3) Tube de remplissage d'huile avec la

6) La bride de sortie

jauge

7) Refroidisseur d'huile

4) La bride de montage 5) Accumulateur


54


La conception 3D de la BVA élaborée par le logiciel SOLIDWORKS est présentée dans la figure 3.2.

Figure 3. 2. Modèle en 3D sur SolidWorks de la boite de vitesses

3.

Conception de la plateforme fonctionnelle

La conception de la plateforme est basée sur plusieurs études qui sont présentes dans ce qui suit. 3.1. Solutions technologiques

3.1.1.

Préface

La fabrication de la plateforme dépend de l'existence d'un ensemble des pièces métalliques servant ordinairement de support du banc d'essai. Les plus répandues dans ce domaine sont à base de l'E 335 (Tableau 3.1).


55


Aciers d’usage général

Tableau 3. 1.Classification des aciers par emplois [14]

++ Constructions mécaniques et métalliques générales assemblées ou soudées. Ces aciers ne conviennent pas aux traitements thermiques. R rm in = résistance minimale à la rupture par extension (Mpa). Re min = résistance minimale apparente d'élasticité (Mpa). Les profilés choisis sont des tubes carrés ayant plusieurs épaisseurs (Annexe 3 .1). Il est nécessaire d'étudier les différents éléments de la plateforme. En effet, on peut distinguer deux parties : 

la base



le soubassement

On va débuter progressivement par la base en premier lieu, puis le soubassement en deuxième lieu. 3.1.2.

La base

La base de la plateforme se construit par l’assemblage de sept tubes carrés (80×80×4) : Deux tubes longitudinaux (1) de même longueur L l = 740 mm, quatre tubes transversaux (2) de même longueur L t = 640 mm et un tube de renforcement (3) de longueur Lr = 110 mm. Au niveau des trous de fixations les tubes longitudinaux seront renforcés par des barres pleines en acier E24 (S235) de forme rectangulaire positionnées à l’intérieur. Elles serviront à répartir le poids de la BVA sur toute la largeur au lieu de l’épaisseur 4mm. Chaque barre sera fixée par 2 goupilles de blocage à tête ISO 2341 (4) et aura comme dimension 72×72×100.


56


La plateforme est soumise aux poids maximaux de la boîte de vitesses « P bv » (Boite + Huile). Telle que :

P bv=M bv*g

(3.1)

D’après tableau 1.1 :

M bv= 325+30*0.83= 349.9 kg ≈ 350 kg

(3.2)

D’où :

P bv=349.9*9.81= 3432.52 N ≈ 3433 N

(3.3)

En supposant que le contact de chaque c ôté s’effectuera par l’intermédiaire d’une seule vis (le cas le plus extrême), on aura : 1

S = 2 ×  ×  ×  ×  × 4 Application numérique : S = 2 ×  × 0.008 × 

d’où :





1 

(3.4)

× (0.08  2 × 0.004) × 4= 7.24 10-3 m2

= (3433/7.24) 103 = 474.17 10 3 Pa < Re = 235 MPa

La structure supportera le chargement souhaité.

On remarque que le périphérique extérieur de la base sera impérativement un rectangle de longueur 900 mm et de largueur 800 mm, ce qui amène à un bon équilibre au banc d'essai. Sans oublier que la base se pose sur quatre pieds (5) lourds dont chacun est un tube carré (80×80×4) de longueur 180 mm, afin de donner une bonne fixation au bâti support. 

Calcul du cordon de soudure "a" [22]

Puisque le soudage est symétrique, la côte du cordon de soudure "a" doit être égale à la moitié d'épaisseur de la tôle "e" (a = 0.5*e). Donc le cordon de soudure choisie est a = 2 mm. En effet, si on considère la plus faible longueur de soudage dans la structure L min = 80 mm 

σ =



< R pe =   éé ×

(3.5) ××

Limite à la traction : Ft =   éé =

335.1 ×.×. 3

≈ 17866 N

Cette épaisseur est suffisante pour l’assemblage des composants. 

La longueur nécessaire « L » de la soudure latérale

Puisque l’arrête de la surface de coupe du tube est égal à 80 mm, la longueur nécessaire de la soudure latérale est L=80 mm La figure 3.3 présente la base de la plateforme.


57


Figure 3. 3. La base de la plateforme 3.1.3.

Le soubassement

La partie supérieure de la plateforme se compose de quatre leviers, deux identiques en avant et deux identiques en arrière et ce pour fixer la boite de vitesses. 

Les deux leviers montés en avant :

Formés chacun, par un cylindre plein (1) de diamètre D 1= 60 mm et de longueur L 1= 165 mm assemblé perpendiculairement avec un tube carré 60×60×4 (2) de longueur Lav = 510 mm. Ils sont liés par un tube 60×60×4 de renforcement diagonal (3) ayant une forme spéciale. Tout sera assemblé avec une plaquette (4) d’épaisseur 20 mm où on peut fixer la boîte de vitesses en avant. On utilise quatre cordons de soudure similaires de même longueur L= 60 mm en ajoutant des points de soudure pour les contacts latéraux. De même, la côte du cordon de soudure a= 2mm. L’arête est fixée à 60 mm dû à l’espace entre les quatre vis de fixations en avant de la boite. La figure 3.4 présente le levier monté en avant.


58


Figure 3. 4. Levier monté en avant 

Les deux leviers montés en arrière :

Ils comportent chacun, un cylindre plein (1) de diamètre D2= 50 mm et de longueur L 2= 155 mm assemblé perpendiculairement dans un tube carré 50×50×4 (2) de longueur Lar = 288.07 mm. Ils sont liés par un tube 50×50×4 de renforcement diagonal (3) ayant une forme spéciale. Tout sera assemblé avec une plaquette (4) d’épaisseur 20 mm où on peut fixer la boîte de vitesses en arrière. On utilise quatre cordons de soudure similaires de même longueur L= 50 mm en ajoutant des points de soudure pour les contacts latéraux. De même, la côte du cordon de soudure est a= 2mm. Le choix de l’arête est contraint à 50 mm dû à l’espace entre les deux vis de fixations en arrière de la boite. La figure 3.5 présente le levier monté en arrière.


59


Figure 3. 5. Levier monté en arrière Assemblage de la plateforme

3.1.4.

La solidarisation de la plateforme se fait par des vis-écrous. -

Les vis employées dans la structure sont de type :

Vis à tête hexagonale ISO 4016 - M16 × 160 - 4.6 L’ISO 4016 désigne le grade du produit = grade C : le vis est formé à froid sans parachèvement (le diamètre est égal à M16). La qualité sélectionnée est 4.6, cela donne les caractéristiques suivantes : Re=240 MPa, Rm= 400 MPa et Seq= 157 mm 2 [23] -

Calcul de la charge maximale supportée par les vis :

Les vis vont être sollicitées au cisaillement, pour calculer la charge maximale au cisaillement, il faut avoir la charge maximale à la traction. Ftraction =

Re × Seq 

[23]

(3.6)

Avec s : coefficient de sécurité de la structure « s=3 » (Annexe 3.2). Application numérique : Ftraction = Fcisaillemnt = Ftraction × 0.7 [24] HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

 × 157 3

= 12560 N (3.7) 60


Application numérique : Fcisaillemnt = 12560 × 0.7= 8792 N Soit P ≈ 879 kg par vis (masse de la BVA environ 350 kg « équation (3.2) »). 

Les vis résisteront au cisaillement.

-

Pour les écrous, on utilisera des écrous hexagonaux M16 – ISO 4034

La figure 3.6 montre l’assemblage de la plateforme de la boite de vitesses. Des études statiques et dynamiques sont effectuées sur cette structure.

Figure 3. 6. plateforme de la boite de vitesses 3.2.Positionnement de la boite dans la plateforme

Pour vérifier notre dimensionnement il faut positionner premièrement la boite de vitesses dans la plateforme tel que : Hauteur (arbre d’entrée de la boite → base de la plateforme) HB= 325 mm 

Hauteur (arbre de la boite → sol) HS=325+180= 505mm


61


Figure 3. 7 .Assemblage plateforme-boite de vitesse

4.

Dimensionnement des éléments de la plateforme

Pour garantir un bon fonctionnement et une longue durée de vie de la plateforme, un calcul est nécessaire, dans le but de dimensionner correctement les différentes composantes du système. 4.1.E tude statique

Pour une bonne tenue en service de la plateforme, une étude des conditions de résistance mécanique des différentes pièces fonctionnelles sollicitées à des contraintes est préconisée. Nous avons procédé à une modélisation en utilisant la méthode des éléments finis d’une part et les formules de la résistance des matériaux d’autre part, tout en vérifiant les dimensions de certaines pièces. Toutes les pièces sont fabriquées en acier E335, dont les caractéristiques mécaniques sont présentées dans le tableau 3.1. Les pièces de la plateforme sont sollicitées à des efforts importants qui peuvent entrainer leurs déformations. Donc, nous vérifierons la condition de résistance mécanique de ces pièces par la méthode d’éléments finis. Pour cette raison nous utilisons la simulation de « Cosmos Works » du logiciel « SolidWorks ». HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

62


Critère de la résistance de Von Mises : [14]

Le critère de Von Mises est utilisé pour la vérification de résistance des diverses pièces du système. En effet, dans chaque partie de la structure, nous devons vérifier que la contrainte équivalente de Von Mises est inférieure à la contrainte admissible :

σéq ≤ σadm

(3.8)

: La contrainte équivalente de Von Mises. : La contrainte admissible du matériau. La contrainte équivalente de Von Mises s’é crit sous la forme suivante :

(3.9) Où σ est le tenseur de contraintes tel que :

(3.10) Pour le problème statique, la contrainte admissible est donnée par la relation suivante :

(3.11) Avec R e : La limite d’élasticité du matériau « R e=335 Mpa ». S : Le coefficient de sécurité égal à 3 « S=3 », son choix est basé sur le guide de choix du coefficient de sécurité (Annexe 3.2). Le calcul de la contrainte admissible est le suivant :

(3.12) 

Vérification de la résistance mécanique de la structure de la plateforme :

La plateforme est fabriquée à partir des tubes carrés (50×50×4), (60×60×4) et (80×80×4), deux cylindres pleins de diamètre « D 1=60 mm, D2=50 mm » et deux plaquettes d’épaisseur 20 mm. Vue la simplicité de la structure conçue, (absence d’éléments géométriques complexes) la méthode de Von Mises constitue une méthode valable de vérification.


63


Le poids maximal de la boîte de vitesses appliqué à la plateforme est environ 3433 N « équation (3.3) ». La simulation d’un tel chargement nous a permis de visualiser l’impact sur la structure sous forme de contraintes internes déplacements résultants. 4.1.1.

Contraintes

Les conditions du chargement statique : - Plateforme encastrée au sol par l’intermédiaire des pieds. - Chargement normal appliqué représentant le poids de la BVA. - Toutes les contraintes d’encastrements (structure) et de soudures sont respectées. La répartition des contraintes de Von Mises est présentée par la figure 3.8.

Figure 3. 8. Répartition des contraintes Les résultats de la modélisation donnés par le « Cosmos Works », certifient que la contrainte maximale de Von Mises concentré autour des leviers, est de l’ordre de 16.52 Mpa qui ne dépasse pas la contrainte admissible du matériau 111.66 Mpa. Ce résultat confirme la résistance et la robustesse de la plateforme.


64

Etude et conception d'un banc d'essai semi-automatique d'une boite de v itesses modèle ZF Ecomat 2 4.1.2.

Déplacements

La distribution des déplacements résultants de la plateforme après le chargement est présentée dans la figure 3.9.

Figure 3. 9.Champ du déplacement résultant Les déplacements résultants sont de l’ordre de 0.053 mm autour des plaquettes de fixations, ce qui est négligeable par rapport à la grandeur des plaquettes. Leurs effets sont infimes pour qu’ils puissent endommager la plateforme. L’étude statique est insuffisante pour conclure sur l’état du banc. D’où, on va passer à l’étude fréquentielle et dynamique. 4.2.É tude fréquentielle et dynamique

Le système de fixation est soumis au chargement dynamique alterné, alors il a tendance à vibrer à certaines fréquences appelées fréquences de résonances. L’étude statique est insuffisante pour évaluer la réponse et interdire la coïncidence entre les fréquences excitatrices et naturelles, par suite une étude fréquentielle et dynamique aide à éviter toute résonance.


65


On utilise le logiciel Solidworks pour définir les modes propres et les fréquences naturelles ainsi pour tracer les contraintes dynamiques. En plus de son poids, la boite de vitesses est excitée avec le chargement dynamique suivant: F(t)=3433*sin (2*f*π*t)

(3.13)

Telle que : f est la fréquence d’entrainement maximale de la boite de vitesses. D’après le tableau 1.1 : f = 40 Hz. D’où : 4.2.1.

F(t)=3433*sin (80*π*t)

(3.14)

Fréquences de résonances

Après une analyse fréquentielle on peut tirer les fréquences de résonances de la plateforme:

Tableau 3. 2.Fréquences de résonances de la plateforme

La fréquence maximale de la force excitatrice est f=4 0 Hz est très inférieure aux fréquences naturelles de la structure, alors la plateforme peut fonctionner en toute sécurité loin du phénomène de résonance. 4.2.2.

Contraintes

Après le maillage, on réalise une simulation dynamique, les répartitions des contraintes sont montrées dans la figure suivante:


66


Figure 3. 10. Répartition Répartition des contraintes de la plateforme La contrainte admissible est 111.66 MPa. La contrainte maximale est 64.39 MPa, elle est bien inférieure à la contrainte admissible du matériau. On peut donc conclure que la plateforme résiste bien aux chargements dynamiques. 4.2.3.

Déplacements

Le champ de déplacement résultant en tout point de la structure est présenté dans la figure suivante :


67


Figure 3. 11.Champ de déplacement de la structure de la plateforme Le déplacement maximal donné par le logiciel égal à 0.5mm qui n’a pas d’effet sur notre structure. L’étude fréquentielle et dynamique, dynamique , montre que la conception de la plateforme de la boite de vitesses, est valide.

5.

Conclusion

Dans ce chapitre on a mené une modélisation détaillée afin de tirer les relations fondamentales de la dynamique de la plateforme plateforme à concevoir. En se basant basant sur ces relations fondamentales, fondamentales, et à partir d’une d’une démarche de calcul mécanique statique, fréquentielle et dynamique on a pu confirmer l'adaptation de la boite de vitesses avec son système de fixation.


68


Chapitre 4 : Choix et dimensionnement des composants du banc d’essais


69


Introduction

Dans ce chapitre, on s’intéresse à la présentation des différents composants du banc d’essai proposé. 2. Choix des composants du banc d’essai

La figure 4.1 montre les principaux composants du banc d'essais.

Figure 4. 1.Schéma explicatif des principaux composants du banc d'essais La plupart des composants du banc d'essai seront choisis et dimensionnés en fonction des contraintes citées dans les procédures de tests. 2.1. S ystème d’ entraînement

Le système d’entrainement, a pour fonction d’entrainer le convertisseur de couple de la boîte de vitesses en rotation dans leur condition réelle. Lors du passage de vitesse, une phase transitoire existe causé par le changement d’embrayages fonctionnels. Dans cette phase les défauts tels que le patinage, l’irrégularité du signal ou de la pression de commande ou les bruits et les vibrations causés par la rugosité du contact mécanique peuvent être visibles. Cependant, cette phase est très rapide et les organes de la boite suivent


70


les lois de passage dédiés à la souplesse de transmission. En plus, la boite de vitesses joue le rôle d’amortisseur pour les irrégularités et changements indésirables. Un essai de pleine charge où la puissance maximale admissible est utilisée, amplifiera ces vices et les révèlera mieux. En plus, il rapprochera l’analyse des conditions réelles. C’est pour cela qu’on a opté pour une alimentation par la puissance totale tel que :

(4.1) D’où d’après le tableau 1.1 :

(4.2) 2.1.1.

Choix de l’unité d’alimentation en puissance

2.1.1.1.

Choix du moteur

Notre choix sera guidé par la méthode de sélection fourni par le catalogue technique de moteurs à courant continu LEORY SOMER (2 à 750 kW), cette méthode est schématisée par la figure 4.2.

Figure 4. 2. Principe de sélection du moteur à courant continu LSK [9] Présélection du moteur : Le diagramme de présentation de la gamme LSK (Annexe 4.1) permet de prédéterminer la taille du moteur en fonction de la puissance utile et la vitesse de rotation maximales désirées à la sortie du moteur.


71


=> Le moteur doit posséder une puissance utile supérieure ou égale à la puissance utile maximale désirée 444 KW, et une vitesse de sortie inférieure ou égale à 2800 tr.min -1. D’où, pour la présélection on a choisi le moteur LSK 2804C (Pu≈444 kW, C≈3400 N.m et n≈1300 tr/min).

Puissance: Choisir, dans les tables de sélection pour alimentation en triphasé pont complet, la taille correspondant à la puissance égale ou immédiatement supérieure à celle requise par la machine 444kW.

Couple : Le couple maximal envisagé est environ de 3400N.m pour le moteur LSK 2804C 444kW 1300tr/min. D’où, on a choisi le moteur LSK 2804C L (Annexe 4.2).

Tension d'induit : La tension secteur impose une tension maximale pour l'alimentation de l'induit conformément à la construction des variateurs. La figure suivante indique les tensions maximales admissibles en fonction du secteur. Le réseau triphasé disponible 400V donc la tension induit 440V

Figure 4. 3. Extrait de catalogue moteur à courant continu Caractéristiques : les caractéristiques du moteur LSK 2804C L choisi (Annexe 4.2) sont : Une puissance utile Pu= 455 kW Une vitesse de rotation n= 1300 tr.min -1 HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

72


Un couple C= 3343 N.m 

Dimensions du moteur LSK 2804C L (Annexe 4.3) :

Longueur de la base LB= 1654 mm Largeur de la base AB= 550 mm Hauteur totale HD= 1300 mm Hauteur (arbre-base) H= 280 mm Diamètre d’arbre D= 110m6 mm Longueur d’arbre E= 170 mm Masse totale MT= 1900 kg (Annexe 4.2) 2.1.1.2.

Choix du variateur (Alimentation en courant continu) :

Le RECTIVAR de Télémécanique est un redresseur commandé. C'est à dire qu'il assure directement la conversion AC-DC pour l'alimentation du moteur. La durée de conduction des thyristors permet la variation de la tension moyenne redressée. Choix à partir de catalogue Télémécanique Rectivar (Annexe 4.4) : Le moteur sélectionné

LSK 2804C L :

Le variateur choisi sera le RTV-84M17Q :

Puissance utile de 455 kW

Puissance 604kW

Consomme un courant d'induit de 1100 A

Courant permanent 1750A

Consomme un courant d'inducteur de 30A.

Courant d'excitation 30A

Son induit doit être alimenté sous 440V

Q = alimentation 440V



Schéma de câblage complet de Rectivar RTV-84M17Q : (Annexe 4.5)

2.1.2.

Choix du multiplicateur à poulies et courroies

La vitesse de rotation à la sortie du moteur est insuffisante pour alimenter la boite de vitesses et atteindre la vitesse maximale. Vu la forte puissance transmisse, pour aborder à ce problème, on a eu recours au multiplicateur à courroie. Le choix sélectionné est le multiplicateur à courroies crantées Blackhawk Pb. HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

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Description du système poulies dentées et courroies Blackhawk:

Les caractéristiques du système poulies dentées et courroies Blackhawk sont résumés dans l’annexe 4.17. 

Spécifications des courroies BlackHawk Pd :

Les courroies BlackHawk Pd sont disponibles en deux modèles standards, 8M et 14M (pas de 8mm et 14 mm respectivement), pour s'adapter à une vaste gamme d'applications. Chaque courroie est déterminée par trois dimensions : LONGUEUR, PAS et LARGEUR. 

Calcul de la puissance corrigée :

Ps = K s × P

(4.3)

Les conditions de travail : P = 444 kW. nd = 2800 tr/min (vitesse de la petite poulie). nD = 1300 tr/min (vitesse de la grande poulie). Condition du fonctionnement : Quelques heures (selon le nombre des essais à effectuer), dans le cas limite est inférieure à 6heures/jour => Service léger. D’où d’après l’Annexe 4.6 Le coefficient de service K s = 1. Alors : 

Ps =P= 444 kW.

Pas de courroie le mieux adapté à la transmission : Annexe 4.7

Le pas de courroie égal à 14 mm (courroie de type 14M). 

Rapport de multiplication et la combinaison de poulies dentées :

On a choisi la courroie BlackHawk Pd 14M-largeur 170 mm (Annexe 4.8). Tel que : d= 133.69 mm avec 30 dents Pour la grande poulie : (nD/nd)= (d/D)= (1300/2800)= 0.46

(4.4)

D’où : D= (d/0.46)= (133.69/0.46) = 290.63 mm On a choisi le plus proche diamètre à 290.63 mm. D’où : D= 285.21 mm avec 64 dents. 

Vitesse linéaire de la courroie :

V= (п*nd*d)/ (30*2) = (п*2800*0.133)/ (30*2) = 19,6 m/s < 33 m/s (condition est vérifiée). HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

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Entraxe a :

Entraxe désirée : a= hauteur (arbre du moteur-arbre de la boite)= HB-(H+E). Avec : HB c’est la hauteur (arbre de la boite de vitesse-sol)= 505 mm H c’est la hauteur (arbre du moteur-base du moteur)= 280 mm Et E c’est l’épaisseur de la plaque de fixation du moteur= 1 0 mm D’où : a= 215 mm > (D p+d p)/2= (285.21+133.69)/2= 209.45 mm (condition est vérifiée). 

Longueur primitive de la courroie :

L p = 2 x 215 + 1,57(285.21 + 133.69) + (285.21 – 133.69)2/ (4*215) = 1114 mm On a choisi la plus proche longueur de 1114 mm D’où L p= 1190 mm avec 85 dents (Annexe 4. 9). 

Liste des références de la courroie de transmission et des poulies dentées choisies:

2.2.Choix

des roulements :

On a choisi des roulements de type SKF 32014 X/Q. Il s’agit de roulements à rouleaux coniques à une rangée, fabriqués selon les spécifications CL7C et conviennent pour des montages soumis à de fortes charges axiales (Annexe 4.10) Ils présentent des caractéristiques de frottement spéciales, une exactitude de rotation accrue et une capacité de charge axiale supérieure pour permettre le maintien d ’un engrènement précis. L’usure liée au rodage est pratiquement nulle. Un film lubrifiant hydrodynamique se forme au niveau des contacts extrémité de rouleau. Il n ’y a donc pas de perte de pré-charge et celle-ci peut être maintenue à un niveau élevé pendant toute la période de fonctionnement.


75

Etude et conception d'un banc d'essai semi-automatique d'une boite de v itesses modèle ZF Ecomat 2 2.3.Choix de l’accouplement élastique 

Description de l’accouplement choisi :

Les accouplements ROTEX se caractérisent par un encombrement réduit, une masse peu importante et une faible inertie pour une transmission de couples élevés. Performances techniques et durée de vie sont accrues par un usinage précis de tout l’ensemble. Ils assurent une transmission des efforts tout en amortissant les vibrations torsionnelles

et

absorbant les à-coups provoqués par les cycles irréguliers d’organes moteurs.

Figure 4. 4. Accouplement ROTEX élastique en torsion [ 12] Les accouplements ROTEX sont élastiques en torsion et transmettent le couple par liaison positive. Ils offrent une sécurité positive. Ils amortissent efficacement les vibrations et

à-

coups, moteur en marche. Ils sont constitués de deux parties à tenons concaves, décalées l’une de l’autre d’un pas pour permettre le logement d’un anneau en développante de cercle. Les dents de l’anneau ont un profil bombé pour éviter l’écrasement des bords en cas de désalignement des arbres. Les accouplements ROTEX permettent de compenser les désalignements angulaires, axiaux et radiaux des arbres à lier. 

Sélection de l’accouplement :

La détermination des accouplements ROTEX se fait d’après la norme DIN 740/2. Les accouplements ROTEX doivent être déterminés de telle sorte qu’en tenant compte des différents facteurs de service le couple qu’ils peuvent transmettre ne soit pas dépassé. Il faut donc procéder à une comparaison des charges générées avec les caractéristiques préconisées. Les couples indiqués T KN/TKmax sont valables pour l’anneau. La liaison arbre/moyeu doit être contrôlée par l’utilisateur. HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

76


Dans ce cas la puissance maximale

supportée par l’accouplement est Pmax= 444 kW,

avec un couple maximal Cm= 1600 Nm et n max= 2800 tr/min. D’où on a choisi à partir du catalogue général 2013 des accouplements (Annexe 4.11), l’accouplement suivant :

2.4.Choix du capteur

de couple

La gamme de capteur de couple rotatif de précision, utilisé pour effectuer des mesures de couple dans les deux sens de rotation en dynamique. Il dispose d’une très large gamme de mesure de couple de +/- 0.2Nm à +/- 5000 Nm, pouvant atteindre une vitesse de rotation jusqu'à 20 000 tours par minute (en standard) Les couple mètres rotatifs sont de 3 types : Les capteurs à jauges de contrainte à sortie en mV, les capteurs sans contact à sortie tension 0...5V, les capteurs à transmission électromagnétique à sortie amplifié courant ou tension. Le capteur de couple série 3000 est représenté dans la figure 4.5 :

Figure 4. 5.Capteur de couple rotatif série 3000 

Caractéristiques :

Couplemètre rotatif de +/- 50, 100, 250, 500, 1000, 2000 Nm supérieur à Cm= 1600 Nm. Sortie analogique (couple) : 0...10V, 4...20mA. Précision 0.2 % Tension d'alimentation : 11 ... 28V DC/ 150mA. Vitesses de rotation maximales 10 000 tours/mn supérieur à n max= 2800 tr/min. Diamètre de l’arbre : 40 mm. Entraînements bouts ronds clavetés ou carrés. HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

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Ce capteur est également disponible avec un codeur incorporé de 360 points par tour permettant de mesurer l’angle ou la vitesse de rotation. Il existe ég alement avec un entrainement carré, hexagonal pour répondre à toutes les applications. 2.5.Choix du joint de cardan double homocinétique 

Principe :

L’utilisation de deux joints de cardan en série avec trois arbres dont les angles sont identiques permet de cor riger les fluctuations des vitesses en fonction de l’angle des deux arbres. Bien que la rotation de l'arbre intermédiaire (N 2) soit irrégulière, celle de l'arbre de sortie (N 3) est rigoureusement identique à celle de l'arbre d'entrée (N 3 = N 1 à tout instant). Les fluctuations de l'un sont compensées par celles de l'autre.

Figure 4. 6. Joint de cardan double homocinétique [13] 

Choix de l’angle maximal des deux arbres :

On a choisi l’angle maximal 20° d’après l’Annexe 4.12 : 

Calcul de la longueur de l’arbre intermédiaire L2 :

Dans ce cas, la hauteur (arbre de sortie de la boite- sol) HS= 505mm, et la hauteur (arbre d’entrée du frein-sol) B= 750mm. Alors, la hauteur (arbre de sortie de la boite- arbre d’entrée du frein) H2= 750-505= 245mm. D’où L2= H2/sin (20) = 716.33mm ≈ 717mm.


78


Alors, on va choisir une longueur (L2= L-2M) supérieure ou égale à 717mm, avec (M, la longueur des arbres d’entée’’1’’ et de sortie’’3’’ et L, la longueur total du joint de cardan double). D’après le tableau de choix du joint de cardan double moyen (Annexe 4.13), on a choisi le joint IFA-4506-340111-000-10. 

Caractéristique du joint IFA -4506-340111-000-10 :

L= 1100mm, M= 42 mm d’où L2= 1016 mm. 

L’angle fonctionnel des deux arbres α= sin-1 (245/1016)= 14°.

La transmission est avec mâchoire à bride, unilatéral non souder. Diamètre du disque D1= 90 mm. 2.6.F rein à courant de F oucault

2.6.1.

Principe de fonctionnement

La figure 4.7 présente le principe d'un frein à courant de Foucault.

Figure 4. 7.Schéma de principe d'un frein à courant de Foucault Nous avons représenté le principe de fonctionnement dans la figure précédente, la boite de vitesses entraine le disque en rotation. Ce frein permet de mettre en charge la boite de vitesses tout en mesurant sa vitesse et son couple de sortie . Le frein est schématiquement constitué d’un rotor et d’un stator : Le stator est monté en balancier sur le socle et est retenu dans sa rotation par un capteur de force. Il contient également une bobine électrique et des chambres de refroidissement. Le rotor tourne à l’intérieur du stator dans un champ magnétique généré par les bobines électriques.


79


Il en coupe les lignes de force et induit des courants de foucault. Ces courants générent des forces de volume qui s’opposent au mouvement qui leur a donné naissance. Le coup le moteur est ainsi transmis au stator qui agit par réaction sur le capteur de force . Grace au bras de levier, le capteur de force mesure ainsi le couple de freinage. L’énergie mécanique absorbée par le frein est transformée en chaleur. Celle -ci est évacuée par l’eau de refroidissement est dimensionné pour dissiper d’une manière permanente la puissance maximale admissible du frein. Un capteur magnéto-résistif, placé en regard d’une roue phonique, mesure la vitesse de rotation. 

Fournitures standards du frein : Annexe 4.14

Constutiants du frein : -

Une roue phonique 60 dents placée sur l’arbre d’entr ée en regard d’un

-

Capteur magnéto-résistif pour la mesure de la vitesse.

-

Un plateau d’accouplement à l’arbre d’entrée avec percages normalisés.

-

Un socle inférieur recevant les paliers du frein et permettant la fixation au sol.

-

Un capteur de force avec son conditionneur de signal numérique permettant de mesurer le couple de freinage.

-

Deux bras d’étalonnage permettant d’étalonner le couple.

-

8m de câble avec connecte urs pour les connexions entre l’armoire électrique du frein et le rack de pilotage. Des longueurs différentes sont proposées en supplément.

-

Un rack de régulation numérique permettant de piloter le frein et de visualiser la vitesse de rotation, le couple de freinage, la puissance. Ainsi que la consigne en cours.



Pilotage du frein :



Description :

Les freins sont équipés de série d’une unité de pilotage : Le Rack RRN104 permet la gestion intégrale du frein. Sa technologie numérique à deux processeurs, lui permet de gérer en

même

temps une régulation rapide et précise du frein, et l’affichage en temps réel des données traitées : Vitesse, couple, puissance, charge, consigne en cours et états d’alarmes. Le système propose plusieurs modes de régulation, des possibilités de paramétrages étendues et une large ouverture a l’environnement dans lequel il est intégré 

Module de visualisation :


80


Visualisation de la vitesse, du couple, de la puissance, de la charge des consignes dans différentes unités choisies par l’utilisateur. Affichage en clair des alarmes. 

Modes de régulation disponibles :

Régulation à vitesse constante Régulation à couple constant Régulation manuelle de la charge Charge en fonction de la vitesse au carré 

Entrées / Sorties disponibles :

Sorties 0..10V pour la recopie des valeurs de vitesse, de couple et de puissance. Entrées 0..10V pour une définition externe des consignes (vitesse, couple, charge…) Sorties digitales des contacts d’alarme. Entrées digitales par contact pour une sélecton externe des différents modes de régulation. Interface RS232C / 485 avec un PC superviseur pour la communication de toutes les consignes rt les valeurs mesurées. 

Mesure de vitesse :

Par le capteur magnéto-résistif associé à une roue de 60 dents. Précision : Meilleure qu’1 tr/min 

Mesure de couple :

Numériquement grâce au conditionneur numérique de jauge de contrainte placé sur le socle du frein (meilleure précision et immunité aux parasites). 2.6.2.

Dimensionnement du frein

D’après le tableau 1.1, la boite entraine l’ensemble ar bre disque à un couple maximal : Cm= 1600*4.84= 7744 N.m

(4.5)

D’où l’étude sera faite pour déterminer les dimensions du disque afin de générer un couple de freinage de 7744 N.m 

Dimensionnement de l’arbre du frein:

L’arbre subit le couple maximal (Cm) est sollicité à la torsion.


81


Figure 4. 8 .Arbre de frein de Foucault On suppose que le Matière de l’arbre de frein est : 25CD4 De R r : résistance à la rupture du matériau =1150 Mpa Le moment d'inertie polaire de l'arbre J 0 par rapport à son axe de révolution est défini par: (4.6) La contrainte de torsion initiée dans 1'arbre est définie en fonction du couple Cm, du rayon r 1 et de l'inertie polaire J 0 par: (4.7) On cherche r 1 tel que : (4.8) σe étant la limite d'élasticité du matériau de l'arbre et f s un facteur de sécurité. Donc: (4.9) Donc il vient que : (4.10) Application numérique : Cm= 7744 N.m, f s=3, σe= R r/ 2= 575 MPa Donc : r 1 ≥ 29,52 mm => r 1= 30 mm 

-

Dimensionnement du disque du frein (épaisseur et rayon) Dimensionnement d’é paisseur ‘’e ‘’du disque :


82


Figure 4. 9. Ensemble arbre disque de frein de Foucault La matière de disque est : 25CD4 De R r : résistance à la rupture du matériau =1150 Mpa Le disque subit un couple exercé par l'arbre de 7744 N.m, il en résulte une contrainte de cisaillement telle que : (4.11) D’où : (4.12) Il faut que : (4.13) Donc d’après (4.12) et (4.13) : (4.14) Application numérique : e ≥ 7,145 mm => e= 8 mm -

Dimensionnement de rayon ‘’R max‘’du disque

On détermine R de disque (solide en rotation) par le théorème de l'énergie cinétique : Cm = (1/2) (JD+JDbv) ɷ2

(4.15)

=> JD= (2Cm/ ɷ2)- JDbv JD : Moment d’inertie du disque JDbv : Moment d’inertie du disque sortant de la boite de vitesses. HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

83


ɷ= (п*nDmax)/30= (п*(2800/0.59))/30= 496.97≈ 497 rad/s

(4.16)

JDbv = (MDbv*R Dbv2)/2= (ρ*п* R Dbv4*eDbv)/2

(4.17)

Avec: La masse volumique de matériau 25CD4 : ρ=7850 kg/m3 Le rayon du disque sortant de la boite de vitesses : R Dbv = 70 mm L’épaisseur du disque sortant de la boite de vitesses : eDbv = 18 mm Application numérique : JDbv = 5.33 10-3 Kg.m2 Et JD= 31.15 Kg.m2 R max4 = (2* JD)/ (ρ*п*e) Application numérique: R max= 749.63 mm ≈ 750 mm => D max= 1500 mm On remarque que le diamètre du disque est grand, d’où on a choisi un frein birotor de diamètre 750 mm. Ce frein va assurer en plus du chargement, le freinage de la boite lors du besoin, donc la puissance doit dépasser celle calculée préalablement. D’où, On a choisi le frein FE 900 DV (Annexe 4.15).


84


Courbe de freinage :

La figure 4.10 présente la courbe de freinage du frein FE 900 DV.

Figure 4.10.Courbe de freinage [16] HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

85


Caractéristiques du frein :

Paramètre de frein pour un couple 7744 Nm

Frein choisi à partir de catalogue :

Diamètre minimal de l’arbre Da=60 mm

Frein : FE 900 DV

Nombre de Rotors = 2

Couple maxi =10000 Nm

Diamètre maximal de rotor Dr = 750 mm

Diamètre de l’arbre Da=100mm

Epaisseur de disque = 8 mm

Nombre de Rotors = 2

Vitesse maximale en (tr/min)= 2800/0.59= 4746 tr/min



Diamètre de rotor Dr =750mm Vitesse maximale= 5000 tr/min

Alimentation FE 900 DV :

L'alimentation actuelle (courant d’excitation de la bobine) est la même pour tous les freins. Elle se branche sur le secteur 230V et fonctionne donc, après redressement, sur un bus continu d'environ 300V. Le courant nominal est donc fixé pour tous les freins à 10A et dans certains cas particuliers, ce courant maximal peut être augmenté jusqu'à 12A voire 15A. 

Dimensions du frein FE 900 DV : Annexe 4.16

Longueur de la base H= 920 mm Largeur de la base L= 1730 mm Hauteur totale du frein A= 1310 mm Hauteur (arbre-base) B= 750 mm Masse totale du frein MF= 4500 Kg 3.

Conclusion :

Dans ce chapitre on a choisi et dimensionné les composants du banc d'essais, en se basant sur les conditions qu'ils doivent accomplir pour satisfaire les exigences des procédures des tests.


86


Chapitre 5 : Instrumentation du banc d’essais


87


Introduction :

Dans ce chapitre, on va compléter les éléments restants du banc d’essais à savoir : - Les éléments périphériques de la BVA dans le banc d’essais. - La chaîne d’acquisition des données de mesure. 2. Reproduction du système de commande de l’autobus :

La totalité des connexions entre le calculateur EST 146/147 et les différents périphériques de l’autobus sont résumés dans la figure 5.1 :

Figure 5. 1.Connexions entre le calculateur EST 146/147 et les différents périphériques de l’autobus. HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

88


Cette représentation va consister comme parangon pour le choix d’instrumentation à effectuer. 2.1.E léments de commande :

2.1.1.

Capteur de charge :

Une transmission optimale du couple moteur, et par conséquent des passages de vitesses sans patinage et avec confort, s'obtient grâce à des pressions de fermeture des embrayages et des freins adaptées à l'état de charge du moteur. La valve de modulation gère le temps et la montée en pression des chambres pour le serrage des embrayages et des freins. Elle pilote le bloc électro-hydraulique avec une pression modulée. Elle est commandée par le boîtier électronique en fonction, notamment, de l'état de charge déterminé par la pédale d'accélérateur. Cet état de charge est communiqué grâce au capteur de charge A3. Le capteur de charge est composé d’un boîtier avec levier de commande et d'un potentiomètre. Il agit en fonction de l’état de charge donné au moteur par la pédale d’accélérateur et informe le boîtier électronique sous forme d’une tension variable AU. Ce der nier envoie un signal de tension correspondant vers la valve de modulation lors d’un passage de vitesse.

Figure 5. 2. Modulation électrique du Capteur de charge [1]


89


Le signal régit par le capteur de charge dépend uniquement de l’angle d’ouverture de papillon du carburant, ce qui peut être résumé dans la figure 5.3 :

Figure 5. 3.Signal régit par le capteur d e charge en fonction de l’angle d’ouverture de papillon du carburant [1] Vu la nature de l’essai à effectuer (des charges fixes avec une loi de passage unique) le capteur de charge pourra être remplacé par un générateur de tension produisant la même valeur de tension souhaité. 

Choix du générateur :

En eff et, d’après la figure 5.4 illustrant la tension délivrée par angle de charge, pour des charges fixes, la tension prend des valeurs constantes proportionnelles.


90


Figure 5. 4.Tension délivrée par angle de charge [1] On choisit un générateur de tension avec une gamme allant jusqu’à 5V. Le générateur choisis est ELC ALR3002M Ses caractéristiques techniques sont: • Sorties flottantes sur douilles de sécurité de 4 mm. • Fonctionnement à tension constante automatique. • 4 gammes de tensions sélectionnables par commutateur avec réglage par Potentiomètre de 0 au maxi : 0 à 5V ; 0 à 6V ; 0 à 12V ; 0 à 30V. On sélectionne la 1 ère gamme. • Résistance interne : < 5 mΩ. • Affichage : Voltmètre numérique 3 digits à LED de 14 mm. • Résolution : 10mV sur positions 5 et 6V.


91


Intensité • Fonctionnement à courant constant automatique. • 3 gammes de courants sélectionnables par commutateur a vec réglage de 0 au maxi par potentiomètre : 0 à 25mA ; 0 à 250mA ; 0 à 2,5 Ampères. Le courant est fixé le long de l’essai à I=25mA • Affichage : Ampèremètre numérique 3 digits à LED de 14 mm. • Résolution : 100μA sur la gamme 25mA.

Protections • Contr e les courts-circuits, par régulation de courant. • Contre les échauffements, par relais commutant les secondaires du transformateur et disjoncteur thermique. • Contre les surintensités au primaire du transformateur, par fusible. La tension de service sera fixée à U=5V. Toute altération sera induite par commutation du chemin électrique à résistances différentes. Cette commutation est commandée en correspondance avec le cycle de pilotage. Cette partie est étudiée ultérieurement dans le paragraphe 2-2-1 du chapitre 5. 2.1.2.

Kick-down S1

Le kick-down est un contacteur situé au fond de la pédale d’accélérateur. Son rôle est d’envoyer un signal logique au boitier électrique pour indiquer un fonctionnement en pleine charge. Vu la nature du signal de sortie, ce composant sera remplacé par autre plus facile à synchroniser avec les autres éléments. Le choix s’effectuera dans dans le paragraphe 2-2-1 du chapitre 5. 2.1.3.

Sélecteur (ou commutateur de commande)

Il informe sur le régime de fonctionnement de la boite de vitesses et peut même contraindre celle-ci à un rapport fixe arrêtant la fonction automatique. Ce composant est inutile dans l’essai, cependant, le calculateur nécessite l’information de son état même dans le mode automatique comme sécurité, condition du démarrage, sélection de la marche- arrière… Il sera présent dans l’unité de contrôle, câblé et alimenté comme dans l’autobus. Le sélecteur est relié au faisceau principal ZF par une prise MIC 13 pôles. C’est par des informations (-) en mode combinatoire que le sélecteur informe le boîtier électronique du choix de conduite.


92


Figure 5. 5.Câblage du Sélecteur Le câblage de l’ensemble du banc sera fait ultérieurement. Son fonctionnement sera plus détaillé dans le paragraphe 2-2-1 du chapitre 5. 2.1.4.

Ralentisseur

Le ralentisseur, incorporé dans la boîte de vitesses, permet de prendre en charge une partie de l’énergie de freinage normalement dissipée dans les freins du véhicule. C’est un frein hydrodynamique sans usure. Eliminant les organes de commande manuelle (levier de commande, bouton poussoir, pédale du frein), le circuit pneumatique du ralentisseur comporte : - une électrovalve de commande du ralentisseur “ MV1 ” (logique Y1) qui apporte la pression d’air de fonctionnement de la soupape de commande du ralentisseur. - une électrovalve de commande de l’accumulateur “ MV2 ” (logique Y2) pour remplir rapidement le ralentisseur (temps de réponse). - un circuit pneumatique de précontrainte : de “MV5” (logique K10) jusqu’à “MV1”, pour améliorer les temps de réponse sous une pression diminuée à 4 bar par un détendeur.


93


Figure 5. 6. Électrovalves MV1 et MV2 [2] “MV5” est alimenté par le réseau électrique de l’autobus, donc de la batterie. “MV1” et “MV2” sont alimentés directement par le faisceau ZF, branches L10 et L11. Pour activer le ralentisseur, le boîtier électronique doit recevoir le signal donné par un contacteur manométrique “S2”. Ce dernier est situé auparavant sous la pédale de frein et nécessite une pression supérieure à la pression d’enclenchement (P > 0.7 bar). Il sera dorénavant implémenté dans le circuit pneumatique ainsi que le mano- contacteur de stop “S7”, capteur de l’état des freins moteurs. Le circuit est enfin, alimenté par un compresseur, remplaçant le réservoir de servitudes et le détendeur 4 bars préalablement présent dans l’autobus.


94


Le circuit pneumatique ainsi conçu est présenté dans la figure 5.7.

Figure 5. 7.Circuit pneumatique du ralentisseur 

Choix du Compresseur :

Le débit d’air alimentera 

l’accumulateur : Cette pression est nécessaire au fonctionnement du ralentisseur. Elle fait bouger la valve de contrôle du ralentisseur à l’intérieur de la boite pour amortir la pression d'huile de la vanne de basculement du refroidisseur et de la soupape de ralentisseur, ce qui ouvrera le passage vers le ralentisseur.



Les mano-contacts de commande ralentisseur S2 et de stop S7 : ce choix sera justifié ultérieurement dans le paragraphe cycle de fonctionnement.

La pression nécessaire ne dépasse pas 4 bar. Le choix du compresseur en tenant compte de la capacité maximale, l’alime ntation et de prix de revient est le compresseur à air Brown KR50200 (figure 5.8).


95


Figure 5. 8.Compresseur à air Brown KR50200 

Toutes les informations sont classées dans l’annexe 5.1.

2.1.5.

Capteur de température

Pour fonctionner correctement, le calculateur doit avoir toutes les données qu’il collectait lorsque dans l’autobus même si non nécessaire dans l’essai. A ce sujet, et puisqu’on a déjà éliminé le système de refroidissement, le capteur de température A6 de l’huile de la boite ainsi que l’indicateur de T° A5 sur la table de bord seront gardés, pas comme indicateur de performance, mais comme sécurité contre une élévation anormale de la température.

Figure 5. 9.Capteur de température A6 de l’huile de la boite [1] Les profils de température autorisés dépendent du mode de fonctionnement : 

Température de service



En marche normale

: 100°C max



En mode ralentisseur

: 145°C max



En mode convertisseur

: 110°C max


: 85°C environ

96


Le câblage de l’information de température ne passe pas par le boîtier électronique.

Figure 5. 10.Câblage de l’information de température 

Branchement :

La figure 5.11 présente le branchement du capteur de température A6.

Figure 5. 11. Branchement du capteur de température A6


97


Le Thermomètre A5 ainsi que la lampe témoin seront présents dans l’unité de commande et de contrôle. 2.1.6.

Echangeur thermique

Le refroidisseur (ou échangeur de T°) assure le passage des calories de l'huile de boîte de vitesses vers l'eau du circuit de refroidissement du groupe motopropulseur. 

Les calories de l'huile du circuit de refroidissement en “phase route”.



Les calories de l'huile du circuit ralentisseur en “phase ralentisseur”.

Figure 5. 12. Refroidisseur type rideau [1] Vu la courte durée de l’essai et la température élevée du fonctionnement nominal (entre 80 et 90 °C), valeur préférable de s’en approcher, et le temps nécessaire pour l’atteindre (minimum 5 minutes) on a jugé meilleur d’éliminer le système de refroidissement. 2.2.Cycle de pilotage

2.2.1.

Choix du cycle

Le calculateur est programmé pour suivre des lois de passage qui tiennent compte des différents paramètres. Une donnée cruciale est le régime moteur information livrée par le capteur de charge. On n’a pas été en mesure d’obtenir ces lois de passage pour les modèles étudiés, une allure correspond à la figure 5.13 :


98


Figure 5. 13. Allure des passages aux vitesses en fonction du régime moteur [1] Pour la clarté de l’essai et la simplification des données, on adoptera un cycle élémentaire : On commencera par angle de charge (donc une tension) correspondant à 20% du régime moteur sans un chargement à la sortie de la boite de vitesses pour faciliter le démarrage, le temps de dépasser le régime transitoire du moteur. D’ailleurs, le démarrage doit suivre des conditions minutieuses en 2 étapes : 

Démarrage du moteur : cette étape concerne l’enclenchement du moteur thermique donc n’est d’aucun intérêt dans notre cas.



Engrènement de la 1ère vitesse : pour cela il faut que le sélecteur soit en position neutre et que la vitesse au niveau de la turbine du convertisseur ne dépasse pas 900 tr/mn. Ces conditions doivent être maintenues pendant 2 secondes.

Encore, le convertisseur doit compléter la phase de démarrage avant le couplage qui est de quelques secondes. Pour répondre à ces conditions, cette partie prendra 10 secondes.


99


Ensuite, le sélecteur est changé à la position D, le variateur est positionné pour délivrer la totalité de la puissance (88.8%) et frein à courant de Foucault est activé pour un chargement de 350 kW. Pour la durée de 1 minute, on surveillera les passages de vitesse de la 1 ère à la 6ème. En surchargeant la sortie de la boite, on pourra provoquer un freinage qui induira la retombée des vitesses de la 6 ème à la 1ère. Pour calculer la valeur de surcharge, il suffit de fixer un temps limite choisis comme pour la phase précédente 1 minute : En supposant qu’on atteindra la vitesse de rotation maximale : nmax = 2800 tr/mn ≈ 293 rad/s On supposera que le moment d’inertie ramené du côté de l’arbre de sorti e est celui du frein car Jfrein = J= 25,31 kg.m 2 (annexe 4.15) En appliquant la formule d’équilibre des moments à ce moment: ∑C = Jὠ1 = 0

(5.1)

A l’ajout d’un couple supplémentaire (ramené en puissance) pour le freinage, on aura : Csurcharge = Jὠ2 avec ὠ2= -

− 6

≈ - 4.88 rad/s 2

On choisira donc C frein 2 = Cmax + Csurcharge = 444 + 4.8 × 25.31

(5.2) (5.3)

Cfrein 2 ≈ 565 kW : cette valeur suffira pour assurer le freinage en 1 minute Cette durée pourrait être insuffisante à l’arrêt de la rotation vu que pour le test du ralentisseur cette charge est temporairement absente. Le test du ralentisseur s’effectuera dès l’arrivée à la 3 ème vitesse et continuera jusqu’au passage à la 1ère. Le régime moteur est réduit à 0% et le chargement à la sortie est enlevé. Le compresseur étant déjà active, Le mano-contact de commande ralentisseur S2 doit être fermé. Ce dernier nécessite une pression qui ser a fournie par le réseau d’alimentation du ralentisseur. De nouveau à la 1 ère vitesse, le ralentisseur est désactivé à partir d’un certain moment (nécessite une vitesse de 3km/h minimum délivré comme signal de fréquence), le régime moteur est maintenu à 0% et le frein produit le couple C frein, Le sélecteur doit changer vers le HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

100


mode neutre pour pouvoir passer en marche arrière. Pour cela, le régime de turbine doit passer sous 900 tr/mn, la vitesse de mouvement nulle (nAB< 40HZ) et le mano-contact de stop S7 doit être fermé (info ED7). La pression nécessaire sera fournie par le compresseur à travers le réseau du ralentisseur. Ces conditions maintenues pendant 2 secondes, le mode R (marche arrière) est disponible. On utilisera le moteur à 88.8% et le frein avec le couple C frein pendant 10 secondes. A cette partie, le ralentisseur n’est pas fonctionnel (nécessite marche-avant sélectionné) et les manocontacts sont inutiles : le compresseur est désactivé. On éliminera finalement, la puissance motrice et on attendra la fin du test fonctionnel. Ce cycle durera 3 minutes environ. Il peut être résumé dans le tableau 5.2.

Tableau 5.1.Cycle de pilotage

D’après ce tableau, on peut en déduire les entités à contrôler et les valeurs requises le long du cycle. On les résumera dans le tableau 5.3.

Tableau 5.2. Les entités à contrôler et les valeurs requises le long du cycle de pilotage


101


Le moteur est commandé par un variateur dont le cycle est implanté dans le PLC. Ce signal de commande pourrait être employé pour contrôler les autres organes. En effet, en traitant la période T=10 secondes singulièrement, on peut constater que tous les composants permutent entre 2 états. On va utiliser un temporisateur fonctionnant jusqu’à T et une résistance correspondante à la valeur de v1=1.82 V pour incorporer le premier signal. Pour le reste du cycle, on installera un trigger de schmitt (bascule à seuil) pour alimenter les bobines de 2 interrupteurs, l’un fermé au repos l’autre ouvert au repos, branchés avec un temporisateur fonctionnant pour t > T. Elle remplacera également le contacteur S1 (Kick-down) Effectivement, C'est une bascule à trois entrées V, SB et SH et une sortie Q. Contrairement aux autres bascules, elle est conçue pour être pilotée par une tension analogique, c'est-à-dire qui peut prendre n'importe quelle valeur dans l'intervalle 0 – Vcc correspondant. Les entrées SB et SH (seuil bas, seuil haut, ce dernier étant à un potentiel supérieur à SB) sont maintenues à des potentiels fixes. Le fonctionnement est le suivant : 

supposons qu'au départ, V soit à 0 ; Q est alors à 0 ;



quand V augmente, Q reste à 0 jusqu'à ce que V dépasse SH ; à ce moment, Q passe à 1 ;



Q reste à 1 jusqu'au moment où V devient inférieur à SB ; à ce moment, Q passe à 0 ;



Q reste à 0 jusqu'à ce que V repasse au-dessus de SH.

Figure 5. 14. Installation de la bascule de schmitt D’après le catalogue du variateur RTV choisi, le retour d’information peut être choisi comme tension d’armature. Cette tension peut varier entre 0.5 V et 1.06 V. HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

102


Il suffit de choisir SB= 0.8 V et SH <

. ×1.6 1

= 0.94 V ; on prendra SH= 0.9 V

On aura également besoin d’un composant électronique utilisant un signal logique (sortie du trigger de Schmitt) pour commuter entre deux branches de résistances différentes du circuit. Ce problème est résolu en utilisant 2 structures à base de transistors bipolaires, l’un PNP l ’autre NPN. 

Présentation qualitative des transistors en commutation :

Un transistor bipolaire ( supposé parfait ) utilisé en commutation se comporte comme un interrupteur commandé par un signal logique. Sur les deux exemples ci-dessous le signal logique de commande (Vcmd) est appliqué sur la résistance de base R2 pour le NPN et R3 pour le PNP. C’est le couple de composants R2-Q1 et R3-Q2 qui se comporte comme un interrupteur commandé. Suivant l’état logique de Vcmd l’interrupteur est soit fermé soit ouvert :

Figure 5. 15.Structures de PNP et de NPN en commutation


103


Le câblage est effectué dans la figure 5.16 : 5V

Variateur

Figure 5. 16.Câblage du système remplaçant le capteur de charge Calcul des Valeurs des résistances R11, R12, R13 : Ces résistances sont complémentaires au fonctionnement du générateur. En effet :

Pour



R11 est responsable de la tension du générateur U1=1.82V







UG = 5V ; I = 25mA


104


Donc : R11 =

−1

5−1.



.5

R12 = R13 = 2.2.2.

=

− 

5−1.3

= .5 = 148Ω

−3 

= 127.2Ω

5−3.9

= .5 = 44Ω

Présentation du faisceau électrique du banc (Branchement)

On va employer comme faisceau électrique les connecteurs de l’autobus. Tou tefois, certaines modifications doivent être faites comme sélectionnés auparavant. Le tableau 5.4 présente la liste des connecteurs se trouvant dans le branchement :

Tableau 5.3. Liste des connecteurs se trouvant dans le branchement



Branchement électrique du banc :

La figure 5.17 présente le branchement électrique du banc.


105


Figure 5. 17. Branchement électrique du banc


106


Le banc étant prêt à fonctionner, la partie suivante traite les instruments de contrôle,

3. Chaine d’acquisition

Vu le manque d’informations sur le système adopté par le calculateur employé ‘EST 146/147’, l’utilisation de la chaine existante s’arrête au niveau des capteurs. D’où le besoin de concevoir une chaîne d’acquisition supplémentaire. La chaîne d'acquisition de données est l'ensemble des éléments nécessaires à la "capture" des données (analogiques ou numériques) à leur transmission jusqu'au récepteur et à l'utilisateur (homme ou machine) des données capturées. D’une façon générale, il existe plusieurs architectures de chaînes, on a choisi la structure suivante (figure 5.18).

Figure 5. 18.Structure de La chaîne d'acquisition de données Le conditionnement de signal consiste essentiellement à l'amplification et le pré-filtrage de signaux électriques issus d'un capteur. C’est le rôle de l’élé ment conditionneur (généralement amplificateur pour les capteurs de faible sensibilité). Dans certains cas il réalise également les fonctions d'isolation galvanique et d'excitation des capteurs passifs. Cette étape est généralement présente après le captage. Néanmoins, vu la haute performance des capteurs installés dans la boite et la forte précision des capteurs installés, elle ne sera pas présente. La chaîne d’acquisition est construite à partir de trois piliers : -

Le pilier Matériel qui regroupe les éléments déjà définies au-dessus.

-

Le pilier Logiciel qui comprend les outils de programmation et une bibliothèque de fonctions pour la commande du flux informationnel.


107


-

Le pilier Distribution-Communication qui définit les éléments de connexions utilisés ainsi que le protocole de communication adopté.

Ces trois piliers seront détaillés dans les parties qui suivent.

3.1.Partie matérielle 3.1.1.

Capteurs

Précédé d’un test par le système de diagnostic ZF-TESTMAN pro de tous les composants électriques (électrovalves, capteurs, boitier électronique …) ainsi que de la continuité du faisceau électrique, le banc d’essai s’en chargera de localiser les défauts mécaniques, de régulation ou de commande avec simulation des conditions réelles de chargement. Le banc d’essai dépasse le rôle de contrôle du bon fonctionnement de la boite de vitesses et peux nous renseigner sur la performance de cette dernière. Pour cela, plusieurs informations doivent être collectées : 

Le réglage des seuils de passage des vitesses.

Courbes Cs = f(Ws) Ws= f(We) 

La modulation de la pression de serrage des freins et embrayages des trains planétaires.

Courbes Pa = f(t) 

La durée de rupture de couple lors des rétrogradations en rampe

(Temps pendant lequel aucun train n'est serré : temps de patinage) Courbes Cs = f(t) 3.1.1.1.

Capteurs des pressions

Pour déterminer les pressions à surveiller, il faut définir les étages de sa variation interne. 

Transmission et Freinage :

Une transmission optimale du couple moteur, et par conséquent des passages de vitesses sans patinage et avec confort, s'obtient grâce à des pressions de fermeture des embrayages et des freins adaptées à l'état de charge du moteur. Cette pression est la pression principale induite par la pompe à engrenage et alimente l’intégralité des organes internes. Elle suit une loi de transition dépendante de tous les paramètres de mouvement HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

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Figure 5. 19.Schéma explicatif de la transmission de puissance La figure 5.20 présente l’allure de la pression de serrage en fonction du temps.

Figure 5. 20. Allure de la pression de serrage en fonction du temps 

Convertisseur :

Le convertisseur doit assurer une liaison souple et automatique. Il joue le rôle d’un amortisseur de torsion et des irrégularités de transmission tout en assurant le couplage. Une observation de sa pression le long de l’essai permettra de surveiller le profil du rapport de multiplication ou de localiser un patinage s’il existe. Un convertisseur de couple peut se trouver dans l'un des trois états suivants : HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

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Démarrage depuis le point mort : La phase de patinage dure quelques instants car au démarrage (d'un véhicule, par ex.), il y a encore une grande différence de vitesse de rotation entre l'arbre moteur et la turbine.

Accélération : La différence de vitesse de rotation entre l'arbre moteur et la turbine s'atténue mais reste élevée : dans ces conditions, le convertisseur produira une démultiplication inférieure à celle du « mode patinage ».

Couplage : La turbine a atteint environ 90 % de la vitesse de rotation de l’arbre moteur; le gain de couple plafonne et le convertisseur ne se comporte plus que comme un couplage fluide. A l’exécution test, cette phase transitoire est prise en considération. Lors du contrôle, la pression interne doit être disponible pour suivre de près ces étapes. 

Le contrôle du passage des vitesses (la séquence régulée) :

En plus de surpression (obstruction) ou sous-pression (fuite) et perte totale du couplage, le phénomène de patinage peut apparaitre. Il se produit lors de chaque changement de vitesses. La régulation du temps de montée en pression des chambres pour le serrage des embrayages et des freins est assurée par une valve de modulation (ou valve d’étranglement) commandée électriquement par le boîtier électronique (A1). Le passage d'un rapport à un autre se fait en 0,6 seconde.

Figure 5. 21.Contrôle du passage des vitesses La pression de modulation est corrigée toutes les 20 ms pour permettre la séquence régulée de changement de vitesses en tenant compte des influences dues, entre autre, aux coefficients de HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

110


friction. Cette valeur définie la rapidité des capteurs utilisés. On l’adaptera comme le quant um (plus petite valeur) de la mésurande temps.

Figure 5. 22.Schéma explicatif de la séquence régulée 

Point de raccordement pour la mesure de pression :

Les pressions qui peuvent être prélevées à partir de la boite de vitesses sont indiquées dans la figure 5.23.


111


Figure 5.23. Les prises de pression de la boite Les valeurs obtenues sont normalisés pour des températures données, ces gammes sont données par le tableau prélevé du manuel de réparation de la boite de vitesses ZF Ecomat modèle 502/592/602 (fonctionnement à froid). 

Mesure des pressions :

Les mesures des pressions sont indiquées dans le tableau 5.5.


112


Tableau 5.4.Mesure des pressions

Avec :

A = Pression principale normale thuile = Température d’huile nmot = Régime moteur WK = Embrayage de pontage du de convertisseur Ces valeurs ne sont qu’à titre indicatif et ne pourrait servir de matériel d’analyse. Une création de données de comparaison à partir d’un archétype (essai primordial sur un exemplaire) est nécessaire. Pour la mesure des pressions, l’installation de capteurs de pression avec signal de courant ou tension comme retour, respectant les valeurs maximales de pression de chaque point de vérification est nécessaire. Le choix est fait à partir des détecteurs de pression OsiSense XMLE. Ses caractéristiques sont résumées dans le tableau 5.6.

Tableau 5.5.Caractéristiques techniques des détecteurs de pression OsiSense XMLE

D’après la table de mesure de pressions, on sélectionn e les détecteurs de pression dans le tableau 5.7. HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

113


Tableau 5.6.Choix des détecteurs de pression aux points de raccordement

La figure 5.24 présente le détecteur de pression OsiSense XMLE.

Figure 5. 24. Détecteur de pression OsiSense XMLE Le branchement de la chaîne d’acquisition sera illustré en vue d’ensemble.


114

Etude et conception d'un banc d'essai semi-automatique d'une boite de v itesses modèle ZF Ecomat 2 3.1.1.2.

Capteurs des vitesses

Ces capteurs existent déjà installés sur la boite de vitesses. Ils communiquent au boitier électronique la vitesse de l’entrée (capteur turbine nT), la vitesse de sorti e (nAB) et les informations essentielles pour le passage de vitesse.

Figure 5. 25. Emplacement des capteurs des vitesses sur la boite La figure 5.26 présente le capteur inductif de vitesse.

Figure 5.26.Capteur inductif de vitesse [2] Deux autres capteurs subsistent à l’intérieur de la boite : Le capteur nMOT, donnant une information sur le régime moteur. Le capteur d’impulsion du tachymètre pour la détermination de la vitesse sur la route. La collecte d’information des 2 derniers capteurs ne sera pas effectuée vue l’importance minime des indications adjointes. Les capteurs de vitesse installés sont de nature inductive. Ce sont des oscillateurs générant un champ électromagnétique haute fréquence à l'avant de la face sensible (bobine logée dans une ferrite magnétique ouverte), et dont le passage des dentures des roues phoniques entraîne la


115


variation de l'amplitude d'oscillation (courant de Foucault) et le changement d'état de la sortie amplifiée. C’est donc par des impulsions de fréquence que l’état de vitesse est transmis. Le seul accès à ces capteurs est les prises de connexions qui mènent au boîtier électronique. On devra donc intercepter le signal depuis la prise principale de la boite de vitesses, la prise cannon 19p. Les connexions des éléments électriques internes avec cette prise sont données par la figure 5.27.

Figure 5. 27Connexions des éléments électriques internes de la boite de vitesses avec la prise cannon 19p. [1] 3.1.1.3.

Capteurs des couples

La boite de vitesses n’admet pas de capteur de couple, car cette information n’a pas d’intérêt pour son fonctionnement. Cependant, cette information est cruciale pour l’analyse de la performance. En effet : 

Le traçage du profil du couple de en fonction de la vitesse de rotation à la sortie de la BV permet d’obtenir les lois de passage réels ; Cs = f(Ws), indicateurs du bilan de transmission et de passage de vitesse.



La courbe du couple de sortie en fonction du temps est un excellent moyen pour la suivie des pertes au niveau du convertisseur et des embrayages ; Cs = f(t)


116


En illustrant le couple de sortie en fonction du couple d’entrée, on peut suivre le changement de rapport lors de la transmission et déterminer le rendement de la boite de vitesses.

On installera par conséquent, 2 capteurs de mesure du couple. Pour le couple à l’entrée le choix est déjà fait dans le paragraphe 2.4 du chapitre 4. Pour le couple à la sortie, le frein à courant de Foucault en est équipé. Les capteurs déjà sélectionnés, on passera au reste de la chaîne d’acquisition. 3.1.2.

Choix de la carte API

10 informations sont collectées lors de l’essai de fonctionnement de la BVA (6 pressions, 2 vitesses, 2 couples) dont 9 passent par un traitement avant visualisation vu la nature analogique des signaux (le signal du couple de sortie donnée par le capteur du frein à courants de Foucault est transmis directement à l’ordinateur) Les cartes Arduino proposent deux catégories de carte API selon qu’elle supporte 8 entrées analogiques ou 16. Une description plus détaillée des cartes Arduino est proposée dans l’annexe 5.2 . Ces conditions nous amènent à sélectionner à partir de la 2ème catégorie : La Mega. Plus précisément, on choisit la carte Arduino Mega 2560.

Figure 5. 28 Architecture d’une carte Arduino Mega 2560 HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

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Description technique : [19]

La carte Arduino Mega 2560 est basée sur un ATMega2560 (microcontrôleur) cadencé à 16 MHz. Elle dispose de 54 Entrée/Sortie dont 14 PWM, 16 analogiques et 4 UARTs. Elle est idéale pour des applications exigeant des caractéristiques plus complètes que l’Uno. Des connecteurs situés sur les bords extérieurs du circuit imprimé permettent d'enficher une série de modules complémentaires. Elle peut se programmer avec le logiciel Arduino. Le contrôleur ATMega2560 contient un bootloader qui permet de modifier le programme sans passer par un programmateur. Le logiciel est téléchargeable gratuitement. 

Caractéristiques principales : [19]

- version: Rev. 3

- 16 entrées analogiques vitesse 10 bits

- alimentation: via port USB ou 7 à 12 V

- cadencement: 16 MHz

sur connecteur - microprocesseur: ATMega2560

- 3 ports série

- mémoire flash: 256 kB

- bus I2C et SPI

- mémoire SRAM: 8 kBits

- gestion des interruptions

- mémoire EEPROM: 4 kBits

- fiche USB B

- 54 broches d'E/S dont 14 PWM

- dimensions: 107 x 53 x 15 mm

- intensité par E/S: 40 mA

Version d'origine fabriquée en Italie.



Vérification de la puissance de la carte API

La vitesse de saisie des données exigée (V) est calculée par la taille d’une mesure (i) ×nombre de capteurs (s) × nombre des prises dans une seconde (n) Avec i = 2 bits < 10 bits (car l’information est de type entier) s=9  

1

n = é  ℎ é = . = 50 prises V = 2 × 9 × 50 = 900 bits/sec < 10kbits/sec La carte Arduino est suffisamment rapide pour l’acquisition des données. Les informations stockées dans la carte Arduino sont localisées dans la mémoire EEPROM. Cette dernière est de 4kBits. HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

118


Cependant, le nombre d’échantillons temporels sur l’intégralité de durée de l’essai (≈3 minutes) et associé à la fréquence d’échantillonnage (1/0.02=500Hz) est égal : Néchantillons = 180 × 500 = 9000 points par voie Donc une taille de mémoire de stockage = 9000 ×2 (entier) =18000 Bits par voie > 4 kBits Pour pallier ce problème, il faut augmenter la mémoire. On choisit de supplémenter la carte API avec l’élément EEPROM I2C 24LC512, capable de décupler l’espace de stockage jusqu’à 512 Kilobits, soit 64 Kilobits (8 entrées). 

Caractéristiques techniques de l’EEPROM I2C 24LC512 : [17]

Les composants 24LC512 sont des composants électroniques de type Eeprom I2C fabriqués par Microchip Technology, ils permettent d’ajouter un espac e de stockage dans un projet électronique. L’EEPROM 24LC512 peut fonctionner sur une alimentation allant de 2.5-5.5V. Ces composants sont peu onéreux ce qui les rendent idéales pour cette application. C’est un composant électronique DIP à 8 pins. Il est relativement solide et chauffe peu, même lorsqu’il est fréquemment sollicité.

Figure5. 29.Composant EEPROM 24LC512 

Power (pin 8)



Ground (pin 4)



Write Protection (pin 7)



SCL/SDA (pin 5 et 6)



3 pins d’adressage (pins 1, 2 et 3)


119


La broche WP, la broche 7, est la broche de protection en écriture. Cette broche peut activer ou désactiver les données d'écriture de microcontrôleur à la puce EEPROM selon que la broche est tirée haute ou basse. La broche SCL, la broche 6, est la ligne d'horloge série. Le 24LC512 fonctionne à partir d'un signal d'horloge. L'horloge est utilisé pour synchroniser le transfert de données vers et à partir du dispositif entre le microcontrôleur et Arduino la puce EEPROM. La broche SDA, la broche 5, est la broche de données série. Ceci est la broche qui transfère des données entre le microcontrôleur et la puce EEPROM. Il est bidirectionnel. Les broches d'entrée d'adresse, A0, A1 et A2, sont pour le fonctionnement à dispositifs multiples. Dans le cas de connexion de plus d'un 24LC512 EEPROM à un microcontrôleur, les adresses de chacun des axes doivent être différentes. 

Utilisation de l’EEPROM 24LC512 :

Ce composant offre la possibilité de cascader jusqu’à 8 I2C, une propriété qu’on va utiliser puisque le nombre de voies permises pour chacun est 8 voies et le nombre de voies nécessaire 10 (2 EEPROM 24LC512). Le premier aura l’adresse 000 (A0 bas, A1 bas, A2 bas) Le deuxième l’adresse 001 (A0 haut, A1 bas, A2 bas)


120


Figure 5. 30Câblage des EEPROM24LC512 [18] 3.2.Partie

logicielle

Le langage du Sketch de commande est écrit par le langage C sur l’espace de développement intégré EDI.

Tableau 5.7 .Caractéristiques électriques des capteurs (pour la programmation de l’API)


121


Le tableau 5.9 présente la table d’adressage.

Tableau 5.8.Table d’Adressage

Le quantum présente la plus faible valeur de quantification affichable par l’automate. Elle est calculée par le rapport de l’étendue de mesure sur l’espace alloué pour chaque entrée (64kbits). Pour les capteurs de vitesses, vu l’absenc e de loi de variation pour la mesurande, un essai préalable est nécessaire on détermine la pente de variation du signal par rapport à celle de la vitesse (relevé par un autre capteur étalonné externe comme un capteur tachymétrique) et l’extrapoler (les capteurs inductifs suivent une loi linéaire) pour l’obtention de la courbe de variation. Pour la suite de l’étude, prenons : Ev = l’étendue de mesure de la fréquence de rotation. Mv = la limite maximale en vitesse affichée par le capteur. 

Programme de la chaîne d’acquisition (Annexe 5.3).

On abordera dans la partie suivante, les connexions et la communication.

3.3.Partie communication [21] 3.3.1.

Protocole de communication

Les protocoles de communication sérielle peuvent être divisés en deux groupes : synchrones et asynchrone. Le premier fait appel à deux canaux, dont l'un transporte les données et l'autre un signal de synchronisation. Vu que cette technique occupe deux canaux, elle est en principe limitée à des connexions filaires. Les techniques asynchrones combinent les données et le signal de synchronisation dans un seul signal, de sorte qu'un canal suffit, La communication asynchrone peut être accomplie avec ou sans fil. HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

122


Dans le cadre de notre projet, on adoptera la norme la plus répandu, le protocole asynchrone RS-232. 

Norme RS-232 :

RS-232 (où RS signifie recommended standard , norme recommandée), spécifie une connexion sérielle bidirectionnelle à au moins trois fils: données entrantes (RD), données sortantes (TD) et référence commune (0 V). RS-232 autorise la communication en duplex, c'est-à-dire que les deux extrémités de la liaison peuvent émettre simultanément. La tension sur la ligne RD doit se situer entre +3 V et +15 V pour être reconnue comme un niveau haut (5 V pour la TTL), entre -3 V et-15V pour un niveau bas (0 V pour la TTL), Un émetteur est censé produire une tension entre -5 V et -15 V pour un niveau bas et entre +5 V et + 15 V pour un niveau haut. Ce qui est un peu perturbant c'est le fait qu'un bit à 0 est indiqué par un niveau haut et un bit à 1 par un niveau bas. La norme spécifie aussi un temps de montée maximum de 30 V /μs et une vitesse de communication maximale de 20 kbit/s. 

Liaison RS232 : connecteur et broches

La liaison série bidirectionnelle la plus simple utilise 3 fils : Tx, Rx, Masse. C'est une connexion entre 2 équipements qui se conforme à la figure 5.31.

Figure 5. 31.Schéma d’une connexion RS232 [20 ] Pour la liaison RS232 le connecteur utilisé est le DB9. Le brochage est fait ainsi dans la figure 5.32.


123


Figure 5. 32.Connecteur DB9 et fonctions de ses broches [20 ] 

RS-232 et Arduino :

Les commandes à partir de l’espace de développement intégré (EDI) d’Arduino ( Serial Monitor ) : Seriel.begin : le port série est initialisé à un débit de communication Serial.end : libérer les broches occupées par le port série Serial.available : vérification de la reception des données Serial.read : lire les données Serial.write / Serial.print : envoi des donnés 

Le MAX232 :

La liaison RS232 utilise des tensions de fonctionnement non compatibles avec la logique 5V. Elle utilise du +-12V. C'est pour cette raison que l'on place entre la prise DB9 et notre Arduino, basé sur l’Atmel328, un circuit adaptateur de ligne, qui converti les signaux en 5V. En effet, le schéma fonctionnel de la liaison RS232 est dans la figure 5.33.

Figure 5. 33.Schéma fonctionnel de la liaison RS232 Nous allons utiliser le MAX232 comme circuit adaptateur de ligne. Son rôle est de transformer les niveaux logiques issus du système numérique en niveaux logiques compatibles avec les normes RS232 et vice versa. HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

124


Figure 5. 34.Schéma d’un Max232 [20 ] Le MAX232 inclut deux récepteurs transformant les signaux RS232 en signaux TTL, et deux émetteurs transformant les signaux TTL en signaux RS232. Pour fournir les niveaux de +12V et -12V à partir du +5V, le circuit utilise un convertisseur élévateur de tension basé sur le principe de pompe de charge de condensateurs décrit dans la figure 5.35.

Figure 5. 35. MAX232 et le convertisseur élévateur de tension [20 ] Ce circuit sera aussi utilisé pour l’alimentation du capteur de couple d’entrée ([11.. 28] V). 3.3.2.

Communication Matérielle

L’adressage est nécessaire pour le flux informationnel. Chaque élément est associé à une adresse donnée déterminée par son emplacement dans le réseau. HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

125


Les connexions entre les différents éléments de la chaîne d’acquisition sont illustré es dans la figure 5.36.

Figure 5. 36.Connexions des éléments de la chaine d’acquisition HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

126


Conclusion

Vers la fin de ce chapitre, on a su fournir à la plateforme fonctionnelle les informations nécessaires pour un fonctionnement indépendant du reste de l’autobus ainsi qu’un cycle de pilotage de l’intégralité de ses organes. On a également élaboré une chaîne d’acquisition des données côté instrumentale et programmation pour la collecte des états le long de l’essai.


127


Conclusion générale Arrivant au terme de notre projet de fin d’études, nous confirmons que c’était une sérieuse occasion d’apprentissage par son caractère diversifié. Entre conce ption, instrumentation et programmation, nous avons eu l’opportunité de sentir le métier d’ingénieur; en abordant des problèmes réels, cherchant les solutions possibles et en arrivant enfin à concevoir un banc d'essai conforme aux exigences des normes, tou t en respectant l’aspect économique et les conditions et moyens de réalisation. On a débuté par une partie étude où on a défini le mécanisme à étudier (la boite de vitesses automatique) et les différents bancs d’essais existants pour son diagnostic. Après, on a proposé une structure de la plateforme de la boite tout en validant les paramètres choisis par les conditions de fonctionnement. La partie suivante discutait les différents composants constitutifs de la plateforme nécessaire pour compléter la chaîne de transmission. Cette étape est poursuivie par l’établissement matériel et informationnel du cycle de pilotage La dernière partie est consacrée à la partie instrumentation du banc d’essai où on a instauré la chaîne d’acquisition des données et préparé le programme de prises des mesures.

Perspectives La programmation effectuée se limite à l’obtention des prises des valeurs et l’affichage utilisant le module ‘traceur’ de l’EDA. Cependant, il serait plus intéressant de le réaliser à partir du logiciel MATLAB équipé d’une bibliothèque Arduino, où une application crée par une console java ferait l’intermédiaire entre l’EDA et MATLAB. On se limitera dans le cadre de notre projet à ce niveau.


128


Référence bibliographique [1] RATP, Matériel Roulant Bus MRB, Assistance et Formation Techniques ‘’MECA 32’’ : la boite de vitesse Automatique ZF Ecomat HP 500/HP 590/HP 600. [2] OMNI plus, services pour votre Mercedes-Benz et Setra : Formation AGN-ZF-Ecomat 01.02.2009. [3] Dragos N. CRUCERU, Andrei N. MARCIAC, Valerian CROITORESCU, Génevière DAUPHIN-TANGUY : Ecole Centrale de Lille, BP 48, 59651 Villeneuve d’Ascq Cedex, France : Modélisation et simulation du démarrage d’un véhicule à la boite de vitesses automatique avec les bonds graphs. [4] ZF-Ecomat 2: ZF automatic transmission HP 502 C, HP 592 C, HP 602 C for city buses, line service buses and coaches. [5] EMERSON INDUSTRIEL AUTOMATION : www.emersonindustrial.com/enUS/products/Pages/products.aspx [6] ATD, AQUITAINE TRANSMISSION DISTRUBITION : www.atd-france.com [7] NEICKEL AUTOMATIVE : www.auto-nickel.net [8] CLEMESSY : www.linguee.fr/anglais-francais/traduction/test+benches+for+aircraft.htm [9] LSK, Moteurs à courant continu Leroy Somer CEDEX - FRANCE: Catalogue technique. [10] Telemecanique: GROUPE SCHNEIDER RECTIVAR4 series 74-84. Three phase digital speed controllers for D.C. motors. [11] Guide de choix des courroies Whitehawk, Blackhawk et Poulies dentées HTD [12] WWW.Ktr.com : KTR : Catalogue général 2013 des accouplements élastiques. [13] WWW.ifa-rotorion.com / [email protected] : Catalogue pièces détachées. Transmission à cardan. [14] Richard G.Budynas and J.Keith Nisbett: Mechanical Engineering Design. [15] SORETRAS, Société Régionale de Transport de Sfax : ZF-Ecomat 2 plus : Manuel de Réparation. HLEL LOTFI & BELHOUCHETTE MAROUAN

129


[16] www.rotronics.com/fr/nos-produits/gamme-kronos/ : ROTRONICS : Catalogue des freins à courant de Foucault. [17] http://www.zem.fr/wp-content/uploads/2014/06/24LC512.pdf . [18] http://www.zem.fr /augmenter-le-stockage-de-votre-arduino-avec-leeprom-24lc512 [19] http://pdf1.alldatasheet.com / datasheet-pdf/view/174758/ATMEL/ATMEGA2560.html. [20] PFE : Etude de la plate-forme Arduino : Application à l’acquisition du signal ECG et à la synchronisation d’appareils de mesures électro-physiologiques. [21] https://zestedesavoir.com / tutoriels/374/gestion-de-la-memoire-sur-arduino/ http://phmarduino.free.fr .

[22] https://fr.wikibooks.org/wiki/Soudage/Conception_d'un_assemblage_soudé : Composition et structure d'un cordon de soudure [23] http://edesignlab.fr/resistance-dune-vis/ [24] http://b.urbani.free.fr/pagevisserie/visserie.htm/


130


Annexe Annexe 3.1. Différents tubes carrés en E335 (A60)

Annexe3.2.Choix de coefficient de sécurité


131


Annexe 4.1. table de présélection de moteur LSK [9]


132


Annexe 4.2. table de sélection de moteur LSK 2804C L [9]


133


Annexe 4.3. Dimensions du moteur LSK 2804C L [9]


134


Annexe 4.4. Guide de choix de RTV -84 [10]


135


Annexe 4.5. Schéma de connexion de Rectivar RTV-84M17 [10]


136


Annexe 4.6. Choix du coefficient de service K s [11]


137


Annexe 4.7. Sélection de pas BlackHawk Pb [11]


138


Annexe 4.8.Choix des poulies dentées pour une courroie 14M-BH -170 [11]


139


Annexe 4.9. Sélection de la longueur de la courroie 14M-BH -170 [11]


140


Annexe 4.10. Fiche technique des roulements combinés de type NAXK 70 Z


141


Annexe 4.11. Extraits du catalogue général 2013 des accouplements [12]


142


Annexe 4.12. Critère de choix de l’angle maximal des deux arbres du joint de cardan

Annexe 4.13.Tableau de choix du joint de cardan double moyen [13]


143


Annexe 4.14. Fournitures standards des freins [16]


144


Annexe 4.15 . Extrait catalogue frein à courant de Foucault [16]


145


Annexe 4.16. Dimensions du frein FE 900 DV [16]


146


Annexe 4.17.Caractéristiques exceptionnelles du système poulies dentées et courroies Blackhawk [11]


147


Annexe 5. 1.Caractéristiques du compresseur à air Brown KR50200

-

commutation entièrement automatique (marche/arrêt)

-

Construit selon les normes CE en vigueur.

Le régime de fonctionnement sera établi ultérieurement dans la partie cycle.


148


Annexe 5.2. Réprésentation de la carte ARDUINO

La carte ARDUINO 

Définition :

L’ARDUINO représenté dans la figure précédente peut être utilisé pour développer des objets interactifs, pouvant recevoir des entrées d'une grande variété d'interrupteurs ou de capteurs, et pouvant contrôler une grande variété de lumières, moteurs ou toutes autres sorties matérielles. Les projets ARDUINO peuvent être autonomes, ou bien ils peuvent communiquer avec des logiciels (tels que Matlab/Simulink, Labview, Flash, Processing ou MaxMSP). Elle possède également 6 entrées analogiques (notées A0 à A5) permettant de mesurer des tensions comprises entre 0V et 5V grâce à un convertisseur A/N à 10 bits. Les 3 types de mémoires qui coexistent au sein d’une carte Arduino sont : La mémoire FLASH : Peu coûteuse cette mémoire sert à stocker les programmes à exécuter, c’est une mémoire qui perdure après arrêt de l’alimentation. Rapide, elle est donnée pour une capacité de 1 000 000 de cycle s. L’atmega 328 en est doté de 32 kilos (d’où la référence 32..8) Atmega 328 = microcontrôleur associé à Arduino Uno La mémoire SRAM (Static Read Access Memory) : Coûteuse mais rapide, cette mémoire sert à stocker des données temporaires (les variables de votre programme par exemple). C’est une mémoire volatile. L’Arduino UNO en possède seulement 2kilos, c’est peu et c’est probablement de là que naîtrons les premiers soucis de mémoire… La mémoire EEPROM : (Electrically-Erasable Programmable R ead-Only Memory ou mémoire morte effaçable électriquement et programmable). Elle permet le stockage par votre programme de données persistantes, peut coûteuse, mais lente, l’atmega 328 en possède 1 kilooctet. Cette mémoire s’use plus rapidement, sa capacité est de 100 000 cycles d’écriture. Cette mémoire permettra à vos programmes de stocker des données de log ou des états devant être conserver de manière pérenne (après arrêt de l’alimentation) 






149


Exemples de cartes Arduino et leurs mémoires :

Taille des mémoires dans les différentes cartes Arduino Les tailles sont toutes exprimées en kilo-octets pour des exemples de type de carte Arduino (entre parenthèses se trouve la taille occupée par le bootloader). Côté matériel : 

L’Arduino est une carte à microcontrôleur avec un port USB. Plusieurs modèles existent, mais les plus courantes la petite carte au format Uno (Diecimila, Duemilanove…) et la plus grande au format Mega 2560 (Mega, Mega 1280, Mega ADK…). La carte Arduino est programmée en C, C++ ou assembleur avec des outils à code source libre disponibles pour Windows, Mac OS X et Linux. Le matériel est également libre et tout le monde peut réaliser sa propre carte Arduino. Les schémas électriques et les dessins des circuits imprimés peuvent être téléchargés gratuitement et les instructions qui expliquent comment les utiliser sont publiques. Il existe trois groupes de broches sur une carte Arduino Ethernet:  les broches d'alimentation et de référence Vin Si nous utilisons une alimentation externe, nous trouverons ici sa tension 5V Sortie 5V 3.3V Sortie 3.3V GND Masse/terre/ground/0V RESET Permet de redémarrer la carte de façon automatique AREF Tension de référence pour les broches analogiques (rarement utilisée)  14 broches numériques d’entrées/sorties.  6 broches analogiques qui peuvent servir d'entrée analogique. Logiciel et programmation :  L’EDI Arduino (Espace de développement Intégré) L’EDI Arduino est l’un des plus simples outils de développement. Il comprend : - Un éditeur de texte rudimentaire pour rédiger le programme ; - Quelques raccourcis pour configurer l’EDI, pour trouver rapidement des exemples et de l’aide - Des fonctions pour compiler le programme et pour le charger dans le micro ; - Un terminal simple pour communiquer avec la carte à travers le port série. 


150


Un programme est appelé un croquis (sketch en anglais) et il est écrit en C ou C++. La structure minimale d’un projet Arduino est présentée dans la figure ci -dessous.

Structure minimale d’un programme Arduino L’API Arduino propose deux fonctions pour mettre en œuvre le CAN : analogRead et analogReference. La première fonction permet de lire une entrée analogique, il suffit de spécifier le nom de l’entrée. Les entrées sont nommées A0 à A15 pour la Mega ; il est aussi possible d’utiliser les numéros des canaux 0 à 15 ou les numéros de broche (pin) Arduino. Dans ce cas, il faut utiliser 54 à 69 (pour la Mega). L’Arduino utilise donc la modulation de largeur d’impulsion (MLI, pulse width modulation ou PWM) pour produire un signal analogique. La fonction analogWrite proposée par Arduino produit donc un signal à PWM au lieu d’une tension. L’ajout d’un filtre permet l’obtention d’un un véritable signal analogique si besoin. Votre carte Arduino dispose d’un tel dispositif intégré dans son cœur : le micro -contrôleur. Ce convertisseur est un convertisseur « à approximations successives ».


151


Annexe 5.3. Programme de la chaîne d’acquisition //Déclaration et initialisation des variables float mesure1=0; //Variable pour le le capteur 1 float mesure2= 1; //Variable pour le le capteur 2 float mesure3= 2; //Variable pour le le capteur 3 float mesure4= 3; //Variable pour le le capteur 4 float mesure5= 4; //Variable pour le le capteur 5 float mesure6= 5; //Variable pour le le capteur 6 float mesure7= 6; //Variable pour le le capteur 7 float mesure8= 7; //Variable pour le le capteur 8 float mesure9= 8; //Variable pour le le capteur 9 float courant1 =0.0; float courant2 =0.0; float courant3 =0.0; float courant4 =0.0; float courant5 =0.0; float courant6 =0.0; float courant7 =0.0;

//Variable //Variable //Variable //Variable //Variable //Variable //Variable

float frequence1 =0.0; float frequence2 =0.0;

pour pour pour pour pour pour pour

le le le le le le le

stockage mesure retournée par stockage mesure retournée par stockage mesure retournée par stockage mesure retournée par stockage mesure retournée par stockage mesure retournée par stockage mesure retournée par stockage mesure retournée par stockage mesure retournée par

stockage stockage stockage stockage stockage stockage stockage

du du du du du du du

courant courant courant courant courant courant courant

1 2 3 4 5 6 7

//Variable pour le stockage de la fréquence 1 //Variable pour le stockage de la fréquence 2

float pression1 =0.0; float pression2 =0.0; float pression3 =0.0; float pression4 =0.0; float pression5 =0.0; float pression6 =0.0;

//Variable //Variable //Variable //Variable //Variable //Variable

float couple=0.0;

//Variable pour le stockage d u couple d’entrée

float vitesse1 =0.0; float vitesse2 =0.0; float Pmin1=0; float Pmax1=10000; float Pmin2=0; float Pmax2=25000;

pour pour pour pour pour pour

le le le le le le

stockage stockage stockage stockage stockage stockage

de de de de de de

la la la la la la

pression pression pression pression pression pression

1 2 3 4 5 6

//Variable pour le stockage de la vitesse d’entrée //Variable pour le stockage de la vitesse de sortie //Pression //pression //Pression //pression

min 1 max 1 (en mbar) min 2 max 2 (en mbar)

int portana0 = 0; est mesurée int portana1 = 1; est mesurée

//Numéro du port analogique sur lequel la pression1

int portana2 = 2; est mesurée






152




int portana5 = 5; est mesurée int portana6 = 6; est mesurée int portana7 = 7; d’entrée est mesurée int portana8 = 8; de sortie est mesurée

//Numéro du port analogique sur lequel la pression6 //Numéro du port analogique sur lequel le

couple

//Numéro du port analogique sur lequel la

vitesse

//Numéro du port analogique sur lequel la

vitesse

//Traitements initialisation void setup() { analogReference(DEFAULT); 20 mA Serial .begin(9600); 9600 bauds }

//Permet de fixer LE courant de refernce à

//Traitements itératifs void loop() { mesure 1 = analogRead(portana0); capteur de pression 1 mesure 2 = analogRead (portana 1); capteur de pression 2 mesure 3 = analogRead (portana 2); capteur de pression 3 mesure 4 = analogRead (portana 3); capteur de pression 4 mesure 5 = analogRead (portana 4); capteur de pression 5 mesure 6 = analogRead (portana 5); capteur de pression 6 mesure 7 = analogRead (portana 6); capteur de couple d’entrée mesure 8 = analogRead (portana 7); capteur de vitesse turbine mesure 9 = analogRead (portana 8); capteur de vitesse de sortie

//initialisation de la liaison série à

//Lecture de la valeur fournie par le //Lecture de la valeur fournie par le //Lecture de la valeur fournie par le //Lecture de la valeur fournie par le //Lecture de la valeur fournie par le //Lecture de la valeur fournie par le //Lecture de la valeur fournie par le //Lecture de la valeur fournie par le //Lecture de la valeur fournie par le

/fonction d'écriture d'un type int en mémoire EEPROM void sauverInt(int 0, int mesure1) sauverInt(int 0, int mesure2) sauverInt(int 0, int mesure3) sauverInt(int 0, int mesure4) sauverInt(int 0, int mesure5) sauverInt(int 0, int mesure6) sauverInt(int 0, int mesure7) sauverInt(int 0, int mesure8) sauverInt(int 1, int mesure9)


153

Etude et conception d'un banc d'essai semi-automatique d'une boite de v itesses modèle ZF Ecomat 2 { //découpage de la variable val qui contient la valeur à sauvegarder en mémoire unsigned char faible1 = mesure1 & 0x00FF; //récupère les 8 bits de droite unsigned char faible2 = mesure2 & 0x00FF; unsigned char faible3 = mesure3 & 0x00FF; unsigned char faible4 = mesure4 & 0x00FF; unsigned char faible5 = mesure5 & 0x00FF; unsigned char faible6 = mesure6 & 0x00FF; unsigned char faible7 = mesure7 & 0x00FF; unsigned char faible8 = mesure8 & 0x00FF; unsigned char faible9 = mesure9 & 0x00FF;

unsigned char fort1 = (mesure1 >> 8) & 0x00FF;

//décale puis récupère

les 8 bits de gauche unsigned char fort2 = (mesure2 >> 8) & 0x00FF; unsigned char fort3 = (mesure3 >> 8) & 0x00FF; unsigned char fort4 = (mesure4 >> 8) & 0x00FF; unsigned char fort5 = (mesure5 >> 8) & 0x00FF; unsigned char fort6 = (mesure6 >> 8) & 0x00FF; unsigned char fort7 = (mesure7 >> 8) & 0x00FF; unsigned char fort8 = (mesure8 >> 8) & 0x00FF; unsigned char fort9 = (mesure9 >> 8) & 0x00FF; //puis on enregistre les deux variables obtenues en mémoire EEPROM.write(0, fort1) ; //on écrit les bits de poids fort en premier EEPROM.write(1, faible1) ; //puis on écrit les bits de poids faible à la case suivante EEPROM.write(2, fort2) ; EEPROM.write(3, faible2) ; EEPROM.write(4, fort3) ; EEPROM.write(5, faible3) ; EEPROM.write(6, fort4) ; EEPROM.write(7, faible4) ; EEPROM.write(8, fort5) ; EEPROM.write(9, faible5) ; EEPROM.write(10, fort6) ; EEPROM.write(11, faible6) ;


154

Etude et conception d'un banc d'essai semi-automatique d'une boite de v itesses modèle ZF Ecomat 2 EEPROM.write(12, fort7) ; EEPROM.write(13, faible7) ; EEPROM.write(14, fort8) ; EEPROM.write(15, faible8) ; EEPROM.write(16, fort9) ; EEPROM.write(17, faible9) ; } courant1 = mesure 1 * 20000 / 65536; //Conversion en courant (en mA avec valeur flottante) courant2 = mesure 2 * 20000 / 65536; //Conversion en courant (en mA avec valeur flottante) courant3 = mesure 3 * 20000 / 65536; //Conversion en courant (en mA avec valeur flottante) courant4 = mesure 4 * 20000 / 65536; //Conversion en courant (en mA avec valeur flottante) courant5 = mesure 5 * 20000 / 65536; //Conversion en courant (en mA avec valeur flottante) courant6 = mesure 6 * 20000 / 65536; //Conversion en courant (en mA avec valeur flottante) courant7 = mesure 7 * 20000 / 65536; //Conversion en courant (en mA avec valeur flottante) frequence1 = mesure 7 * Ev / 65536; //Conversion en courant (en mA avec valeur flottante) frequence2 = mesure 8 * Ev / 65536 ; //Conversion en courant (en mA avec valeur flottante) pression1 = courant1 * 25000 ; //Conversion en pression (en mbar) pression2 = courant2 * 10000 ; //Conversion en pression (en mbar) pression3 = courant3 * 10000 ; //Conversion en pression (en mbar) pression4 = courant4 * 10000 ; //Conversion en pression (en mbar) pression5 = courant5 * 10000 ; //Conversion en pression (en mbar) pression6 = courant6 * 10000 ; //Conversion en pression (en mbar) couple = courant7 * 20000 ; //Conversion en pression (en 10-1 N.m) vitesse1 = frequence1 * Mv; //Conversion en pression (en mbar) vitesse2 = frequence2 * Mv; //Conversion en pression (en mbar)

if (pression1 < if (pression 2 < if (pression 3 < if (pression 4 < if (pression 5 < if (pression 6 <

Pmin 2) Pmin 1) Pmin 1) Pmin 1) Pmin 1) Pmin 1)

{Pmin 2 = {Pmin 2 = {Pmin 2 = {Pmin 2 = {Pmin 2 = {Pmin 2 =

pression1;} pression 2;} pression 3;} pression 4;} pression 5;} pression 6;}

//Etalonage //Etalonage //Etalonage //Etalonage //Etalonage //Etalonage

du du du du du du

capteur 1 capteur 2 capteur 3 capteur 4 capteur 5 capteur 6

if (pression1 > if (pression 2 > if (pression 3 > if (pression 4 > if (pression 5 > if (pression 6 >

Pmax 2) Pmax1) Pmax1) Pmax1) Pmax1) Pmax1)

{Pmin 2 = {Pmin 2 = {Pmin 2 = {Pmin 2 = {Pmin 2 = {Pmin 2 =

pression1;} pression 2;} pression 3;} pression 4;} pression 5;} pression 6;}

//Etalonage //Etalonage //Etalonage //Etalonage //Etalonage //Etalonage

du du du du du du

capteur 1 capteur 2 capteur 3 capteur 4 capteur 5 capteur 6

//Envoi des courants et des pressions au PC par la liaison série pour affichage dans la console Serial .print("courant1 : "); Serial.print(courant1); Serial .print(" μA"); Serial .print("pression1 :");


155

rapport final.pdf

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