Voiture solaire Eco Marathon Shell

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Lycée Louis Armand Nogent École des mines Paris Lycée Louis Armand Paris

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Participants

 BTS Conception de produits industriels:  Yann BABELIAN  Damien AUGER  Quentin ROCA  Ludovic GUIGNARD  Romain TIXIER  Nicolas ROULOT

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Présentation du projet

Le projet est un véhicule fonctionnant à l’énergie solaire, qui respecte les règles imposées par le Shell Eco Marathon. Il sera réalisé en partenariat avec l’école des mines de Paris et le Lycée Louis Armand de Paris.

Le but étant de participer au Shell Eco Marathon 2009, dans la catégorie prototype. Celui ci devra parcourir une distance donnée, en ayant le meilleur rapport énergie produite, énergie consommée

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Énoncé du besoin

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

Pourquoi ce but existe t'il

Gagner la course en consommant le moins d'énergie possible 

Conditions d'évolution

Modification du règlement de l'Eco Marathon Shell 

Conditions de disparition

Disparition de la catégorie, Disparition de la compétition

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Phases de vie du véhicule

     Fabrication FP : utiliser des pièces du commerce ou matière première pour arriver à des ensembles de produits finis.

Montage FP : assembler les ensemble pour arriver à un produit fini Transport FP : Transporter le véhicule Utilisation en course FP : permettre au pilote de rouler le plus loin possible sur le circuit en consommant le maximum d’énergie solaire et en consommant le moins d’énergie électrique Maintenance FP : Réparer le véhicule en cas de dégradation

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Structure

Visibilité Coque Panneau solaire Batterie Transmission Roue arrière Châssis Pédale d’accélérateur Assise Poste de pilotage Levier de frein Frein Frein à disque Roues avant Direction Volant

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Répartition des fonctions :

 Coque (Yann Babelian)  Châssis (Nicolas Roulot)  Direction (Damien Auger)  Poste de pilotage (Quentin Roca)  Transmission (Ludovic Guignard)  Freinage (Romain Tixier)

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La coque

Yann Babelian

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Sommaire

 Structure  Matériaux composites  La fabrication  Designs existants

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Autoporteuse

Structure

Non autoporteuse

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Matériaux composites

1) Présentation   Association de 2 matériaux non miscibles pour optimiser les caractéristique mécaniques.

Composé de renforts et de matrices

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2) Les renforts rôle : ce sont des fibres chargés d’assurer la tenue mécanique (résistance à la traction et rigidité).

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Fibres Verre E Verre R Aramide bas module Aramide haut module Carbone Haute ténacité Carbone Haut module Bore Acier XC10 densité

2.54

2.48

1.45

Charge de rupture en traction (MPa)

3400 4400 3100

Charge de rupture en compression (MPa) Allongnt à la rupture en % Module d’élasticité longi (MPa)

1200 1300 500 4.8

5.4

2 73000 86000 70000

Diamètre du filament élémentaire (µm)

3-30 3-30 12

Prix €/kg

2 8 23 1.45

1.78

1.8

2.63

7.85

3100 2800 2200 3500 1000 500 1800 1300 3500 1 0.5

0.8

130000 200000 400000 400000 210000 12 8 8 100-200 30 46/150 46/150 460

Aluminium

2.63

358 69800 1.5

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3) Les matrices  lient les renforts  répartissent les efforts (résistance à la compression)  assure la protection chimique

Les différentes familles de matrices

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Plus utilisés : thermoplastique et thermodurcissable Résine thermodurcissable : polymère transformée en un produit essentiellement infusible et insoluble après traitement thermique (chaleur, radiation) Résine thermoplastique : polymère pouvant être alternativement ramollie par chauffage et durci par refroidissement dans un intervalle de température spécifique du polymère étudié. Les résines thermoplastiques présentent l'aptitude à l'état ramolli, de se mouler aisément par plasticité

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Résines TD TP métaux nom Polyester Vinylester Epoxide Silicone Polyimide Phénolique Polyamide Polycarbonate Polyester saturé Aluminium Acier XC10 Cuivre Magnésium ρ(kg/m3)

1300 1200 1220 1550 1217 1350 1130 1100 1310 2630 7850 8940 1660

E (MPa)

3800 3500 5200 1000 3450 3000 1900 2300 2800 69000 210000 119000 42000

ν

0.37

0.35

0.38

0.45

0.35

0.36

0.33

0.33

0.33

0.33

0.29

0.30

0.30

R (MPa)

88 81 121 3 80 70 70 60 55 358 1000 350 280

α μm/m ° C

100 65 40 30 36 80 85 70 90 23 10 17 25

Prix(F/kg)

15 18 40 200 150 10 25 30 13 10 11 27

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4) Structure  Monocouche : élément de base du composite fibres longues ou fibres courtes  Stratifier :  Sandwich :

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La fabrication

Méthode utilisée pour le TIM, véhicule de l’école d’ingénieur de Toulouse Étape 1:

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Étape 2 : Étape 3 :

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Étape 4 : Moulage sous vide 1 : moule 2 : fibre + résine 3 : séparateur perforé 4 : tissus molletonné 5 : sac 6 : gomme adhésive 7 : pompe à vide

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Moule utilisé par l’INSA de Rouen

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Designs existants

Toulouse TIM : ENSA Lyon : ESTACA : GMP Valenciennes :

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Châssis

Roulot Nicolas

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Le châssis doit pouvoir :

 Supporter le poids du pilote et des autres éléments du véhicule.

 Être stable et équilibré sur seulement 3 roues.

 Être le plus légers possible.

 Encaisser les irrégularités de la piste.

 Être réalisable avec des outils standards.

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3 Types de châssis

 Le châssis poutres  Le châssis tubulaire  Le châssis autoporteur

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Châssis poutres

Avantages

 Réalisation simple ne nécessitant que deux poutres  Modèle simple pour les calculs Rdm

Inconvénients

 Flexion importante de la poutre centrale  Poutre de section importante

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Châssis tubulaire

   Avantages Meilleur rigidité de l’ensemble Points de fixation plus nombreux Protection contre les chocs latéraux Inconvénients • • Nombreuse soudures Maîtriser la mécano soudure

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Châssis autoporteur

   Avantages Fusion du châssis et de la coque Légèreté Rigidité Inconvénients • • • Réalisation complexe Matériaux chère Temps de conception et de fabrication assez long

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Choix des matériaux

 L’Acier i = 10 à 40  L’Aluminium i = 15  Le Titane i = 28  Composite Carbone/Époxy i = 28 à 103

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Alliages d’acier

 

Avantages

Matériau de référence Bonne propriétés mécaniques selon le type d’acier  Prix faible

Inconvénients

 Masse volumique importante  Usinage difficile par rapport à l’aluminium

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Alliages d’aluminium

Avantages

 Rapport résistance/poids prix le plus intéressant  Masse volumique faible   Prix convenable Usinabilité aisée

Inconvénients

 Propriétés mécaniques inférieur à celle de l’acier

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Alliages de Titane

Avantages Inconvénients

 Résistance mécaniques par rapport aux poids supérieur à 25% / à l’aluminium et l’acier  Masse volumique comprise entre l’aluminium et l’acier  Prix élevé  Matériau dur à se procurer  Usinabilité difficile

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Composite Carbone/Époxy

Avantages Inconvénients

   Très bon module d’Young par rapport au poids Bonne résistance en traction et en flexion Masse volumique faible  Prix élevé  Mise en œuvre et mise en forme difficile

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Pré dimensionnement

Pour une poutre de section carré creux en composite carbone/epoxy

   Hauteur x largueur = 50 x 50 Épaisseur = 2.8 mm Longueur = 2 m   Module de Young = 130 GPa Force appliquée = 1000 N    Flèche = 6.5 mm Variation de 6.5 à 9,5 mm en fonction de la fibre Avec un poutre en Acier à iso dimensions, la flèche est égale à 4 mm

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Direction

Damien AUGER

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 Trouver une direction adéquat à ce véhicule  Analyse de l’existant  Prise de décision (choix des matériaux)  Achat des pièces  Assemblages

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Direction par Crémaillère

Cliché direction de voiture Schéma détailler 41

Direction par câble

Cliché d’un « KMX » Schéma détailler 42

Direction par Biellette

Cliché d’un karting Schéma détailler 43

Comparaison des systèmes

Produit Prix Poids + Crémaillère

Elevé Elevé •Précision de la direction •Conception réduite •Encombrement

Câble

Faible Très faible •Poids •Prix

Biellette

Moyen faible •Système simple à mettre en place •Conception réduite

-

•Poids, encombrement •Prix •Contrainte effort latérale •Usure •Encombrement •Poids

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Poste de pilotage

ROCA Quentin

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Sommaire

 Composition  Une assise  Une commande d’accélérateur  Une commande de direction  Des leviers de freins  Etudier le champs de vision

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L’assise

• • Une assise semi allongée, bien plus confortable (Tel que les Kmx ou vélos couchés) Une assise personnalisée aux deux morphologies de pilotes afin d’accroitre l’aisance à la conduite • Jambes pliées ou jambes tendues ?

Tendues pour une voiture en pointe, avec une plus grosse pénétration dans l’air

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Commande d’accélérateur

Poignée type moto ou pédale ?

• Le comodo : adaptable à toutes les commandes de direction.

Fourni dans le cas d’une motorisation de type hub motor • La pédale : pas adaptée en position allongée

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Commande de direction

 Volant  Guidon  De type Kmx  Conception carbone

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Conclusion commande direction

commande encombrement

Volant Guidon Guidon en V minime moyen minime Commande Kmx volumineux Conception carbonne minime

masse

en rapport avec son matériaux moyenne minime en rapport avec son matériaux minime (carbonne) Concordance du guidon (standar et V) et de la direction Kmx avec la commande d’accélérateur. Dépendance de la commande au système de direction.

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Commande de freins

Levier de freins type vélo ou pédale de frein • masse • prix AVID JUICY 7 AVID JUICY CARBON FORMULA ORO K24 HAYES HFX 9 XC HOPE MONO MINI 434 g 870 g 427 g 430 g 340 g 175 € av 500 € av + ar 150 € av (enduro) 120 € av 170 € av • • Aisance du montage Intégration à la totalité des commandes de direction

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Etude du champs de vision

• Etudier le champs de vision nécessaire au pilote pour une conduite aisée (résulte de l’angle de l’assise) • Etudier le reflet du soleil dans le pare brise au moment de la course (résulte de l’horaire de la course)

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Transmission

Ludovic Guignard

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Transmission

 Types de moteurs.

 Transmission.

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Types de moteurs:

  Moteur à aimant permanent.

Moteur DC à balais.

 Très commun.

 Contrôle simple.

 Pertes, fragile.

 Moteur DC Brushless.

 Pas de maintenance / bonne durée de vie.

  Rendement.

Contrôle complexe.

 Moteur roue.

  Rendement et récupération d’énergie.

Fiabilité.

  Absence de transmission externe.

Rapport de transmission obligatoirement de 1.

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Types de moteurs:

 Moteur à aimant non permanent.

 Moteur asynchrone.

 Couple élevé.

 Prix.

 Pertes.

 Moteur à courant continu à excitation séparé.

  Rapport couple/vitesse.

Dépassé.

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Transmission.

 Par engrenages.

 Motoréducteur planétaire.

 Très bon rendement (0.95).

  Encombrement.

Manque de flexibilité.

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Transmission.

 Par obstacle.

 Chaîne.

  Simplicité, fiabilité.

Réglages.

 Rendement moyen (0.75).

 Courroie.

 Simplicité, fiabilité,flexibilité.

 Réglages.

 Rendement moyen (0.75).

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Freinage liaisons au sol avant

Romain TIXIER

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 2 système de freinage pour les roue avant  1 système de freinage à l’arrière  Dimensionnement des roues avant  Type des roues avant  Matériaux utilisés

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Les différents systèmes

Marque Type Hayes Disque hydraulique Avid Shimano XTR V- Brake Shimano XT photo Prix poids + 199 € 550g 199 € 450g 150 € 200g Puissance de freinage Précision nécessite peu de place au montage -Poids -Puissance de freinage Précision nécessite peu de place au montage -poids Simplicité de réglage - Prix - Prix -prix -poids 44 € 175g -Commande transmission séparément et vendu -Commande et transmission vendu séparément -Faible puissance de freinage usure rapide des patins

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Système retenu:

 Disque hydraulique Avid Juicy  Puissance et précision de freinage  Encombrement du système plus faible  Poids

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Dimensionnement des roues avant

Taille Avantages inconvenants Roue 16 pouces (40.64 cm) - Poids - encombrement Roue 20 pouces (50.80 cm) - De nombreux produits en vente , modèles, marques, matériaux différents - prix variables - Chocs plus ressentis moyeux à disques incompatibles Taille de roue choisie: 20 pouces malgré la légère différence de poids Critères: - très grand choix de modèles - disques incompatibles avec moyeux 16 pouces

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Choix des roues avant

type Rayons Pleines Modèle mixte (à Rayon et cache) Avantages dévoilage facile Frottement réduit dévoilage Facile Frottement réduit inconvenants - frottement à réaliser au lycée - poids - Prix Type de roue choisie: Modèle mixte Critère: - prix - Frottement réduit - poids cache à réaliser au lycée

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