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Sommaire
I. Introduction
1
II. Analyse fonctionnelle
1–2
III. Traduction du besoin en fonctions techniques
3.1- Architecture
3–5
3–4
3.2- Fonctions étudiées
IV. Conception préliminaire
5
5 – 10
4.1- Recherche de solutions pour la fonction FT1
5–6
4.2- Recherche de solutions pour la fonction FT2
7–8
4.3- Recherche de solutions pour la fonction FT3
8–9
4.4- Recherche de solutions pour la fonction FT4
9 – 10
4.5- Recherche de solutions pour la fonction FT5
10
V. Conception détaillée
11 – 45
5.1- Étude statique
11 – 12
5.2- Conception de la fonction technique FT1
13 – 28
5.3- Conception de la fonction technique FT2
28 – 41
5.4- Conception de la fonction technique FT3
41
5.5- Conception de la fonction technique FT4
41 – 44
VI. Pré-industrialisation
6.1- Présentation de la pièce
45 – 54
45
6.2- Spécification des conditions fonctionnelles
45 – 50
6.3- Procédé de mise en forme
50 – 51
6.4- Étude de moulage
51 – 54
VII. Divers
55
VIII. Conclusion
56
Dossier annexes
57 – 61
PROJET MANÈGE FLIPPER
I. Introduction
Dans le cadre de la formation de Brevet de Technicien Supérieur en Conception de Produits
Industriels au lycée Louis Armand à Nogent sur Marne, nous sommes tenus d’accomplir tout
au long de notre deuxième année, un thème en collaboration avec une entreprise.
L’objectif de ce thème industriel est d’acquérir des méthodes pour effectuer une étude
complète d’un système mécanique.
Le thème industriel qui nous a été proposé par l’entreprise « JPS SA » est un manège Flipper.
Le but est de concevoir la structure métallique du manège qui permettra l’installation de
celui-ci.
II. Analyse fonctionnelle
2.1- Enoncé du besoin :
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
1
PROJET MANÈGE FLIPPER
2.2- Diagramme des intéracteurs :
2.3- Critères du cahier des charges fonctionnelles à respecter :
Voici les critères du cahier des charges que nous avons établi à partir de l’analyse
fonctionnelle globale sur lesquels je vais devoir m’appuyer pour la conception de ma partie :
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
2
PROJET MANÈGE FLIPPER
III. Traduction du besoin en
fonctions techniques
3.1- Architecture :
Architecture de l’ensemble remorque :
Système de
levage
Panneaux
Camion
Liaison mécanique
Lien électrique
Lien hydraulique
Châssis
Chevalets
Pieds
stabilisateurs
Roues
Chevalets
Vérins
Pieds stabilisateurs
Panneaux
Châssis
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
3
PROJET MANÈGE FLIPPER
Graphe des liaisons :
Schéma cinématique :
Remorques
Système de levage
Panneaux
Système de verrouillage
L’ensemble modélisé en gras est la partie que je vais devoir concevoir.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
4
PROJET MANÈGE FLIPPER
3.2- Fonctions étudiées :
Les fonctions techniques ont été réparties entre quatre personnes. Les fonctions sur lesquelles
je vais devoir porter mes études sont les suivantes :
Fonctions de service
Fonctions techniques
FP1: Permettre aux forains de transporter
le manège
FT1: Utiliser deux remorques
FP2: Servir de structure pour l’installation
du manège
FT2: Guider les vérins en rotation par
rapport au châssis
FT3: Guider les chevalets en rotation par
rapport au châssis
FT4: Guider les panneaux en rotation par
rapport au châssis
FP3: Stabiliser le manège
FT5: Immobiliser les deux remorques
IV. Conception préliminaire
4.1- Recherche de solutions pour la fonction technique FT1 :
Solutions
Fonctions techniques
FT1:
Utiliser
remorques
deux
FT11: Choisir
remorques
deux
FT12: Assembler les
deux remorques
Semi-remorques
Assemblage
brochage
par
Critères de choix de la remorque :
•
•
•
•
•
•
Longueur maximale de 15 mètres
Largeur maximale de 2,4 mètres
Hauteur minimale de 1,1 mètres
2 essieux minimum
Charge maximale supportée supérieure à 15 tonnes
Pieds stabilisateurs inclus si possible
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
5
PROJET MANÈGE FLIPPER
Après plusieurs recherches, j’ai trouvé une remorque qui pourrait m’intéresser. C’est une
remorque routière vendue par A.C.T.M sous la référence S34315R (voir annexe n°1). Elle
possède des pieds stabilisateurs, ce qui évitera d’en concevoir pour assurer l’ancrage au sol.
Caractéristiques de cette remorque :
•
•
•
•
•
•
•
•
Longueur de 13,6 mètres
Largeur de 2,53 mètres
Hauteur de 0,93 mètres
3 essieux
Charge maximale supportée 27 tonnes
Matériau acier
Surface du châssis lisse
Pieds stabilisateurs inclus
Concernant le montant de cette remorque, un devis a été demandé au service commercial
de l’entreprise et est toujours en attente de réponse.
A la vue de ces caractéristiques, tous les critères de choix sont respectés. De plus, si on a
besoin de modifier les dimensions de la remorque, cela est possible. En effet, on peut partir
sur la forme de cette remorque et adapter les dimensions souhaitées car l’entreprise fait aussi
de la fabrication sur mesure.
En ce qui concerne l’assemblage des deux remorques, cela se fera par brochage. Ce
procédé m’a été conseillé par l’entreprise JPS.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
6
PROJET MANÈGE FLIPPER
4.2- Recherche de solutions pour la fonction technique FT2 :
Solutions
Fonctions techniques
FT2: Guider les vérins
en
rotation
par
rapport au châssis
FT21: Faciliter les
mobilités Rx
FT211: Utiliser
le frottement
FT212: Réduire
les actions de
frottement
Liaison pivot
châssis/vérins
FT22: Interdire
les mobilités Tx,
Ty, Tz, Ry et Rz
Coussinets
FT2121:
Choisir
un
couple
de
matériaux
ayant
un
faible
coefficient de
frottement
Acier/PTFE
FT221: Créer
des contacts
entre solides
Contact
cylindrique
Contact
surfacique
FT23: Assurer la
précision
du
guidage
FT231: Définir
un jeu radial
H8/f7
FT232: Définir
un jeu axial
Jeu moyen=
3,5 mm
La solution la plus probable pour la réalisation de cette liaison pivot est d’utiliser une pièce
intermédiaire : une chape. Celle-ci permettrait d’arrêter axialement le vérin. L’arrêt radial se
fera par le biais d’un axe guidé en rotation par l’intermédiaire de coussinets ou de
roulements. Le choix entre les deux solutions se fera sur plusieurs paramètres : grandeur des
efforts, vitesse de rotation de l’arbre, température de fonctionnement…
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
7
PROJET MANÈGE FLIPPER
Critères de choix des coussinets :












Lubrification
Entretien
Pollution de l’environnement
Résistance à la corrosion
Température de fonctionnement
Charges
Chocs et vibrations
Vitesses de glissement
Coefficient de frottement
Ajustement de l’arbre et du logement
Dureté de l’arbre
Rugosité de l’arbre
Critères de choix des roulements :









Charges
Encombrement
Précision
Vitesse de rotation
Rigidité
Fonctionnement silencieux
Déplacement axial
Joints intégrés
Montage et démontage
4.3- Recherche de solutions pour la fonction technique FT3 :
Solutions
Fonctions techniques
FT3:
Guider
les
chevalets en rotation
par rapport au châssis
FT31: Faciliter les
mobilités Rx
FT311: Utiliser
le frottement
FT312: Réduire
les actions de
frottement
Liaison pivot
châssis/chevalets
FT32: Interdire
les mobilités Tx,
Ty, Tz, Ry et Rz
Coussinets
FT3121:
Choisir
un
couple
de
matériaux
ayant
un
faible
coefficient de
frottement
Acier/PTFE
FT321: Créer
des contacts
entre solides
Contact
cylindrique
Contact
surfacique
FT33: Assurer la
précision
du
guidage
Régis Vacheresse
~
FT331: Définir
un jeu radial
H8/f7
FT332: Définir
un jeu axial
Jeu moyen=
3,5 mm
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
8
PROJET MANÈGE FLIPPER
La solution la plus probable pour la réalisation de cette liaison pivot est d’utiliser une pièce
intermédiaire : une chape. Celle-ci permettrait d’arrêter axialement le chevalet. L’arrêt radial
se fera par le biais d’un axe guidé en rotation par l’intermédiaire de coussinets ou de
roulements. Le choix entre les deux solutions se fera sur plusieurs paramètres : grandeur des
efforts, vitesse de rotation de l’arbre, température de fonctionnement…
On pourra utiliser la même chape pour les deux liaisons, il faudra dimensionner la chape à
partir de la liaison où les efforts sont les plus élevés.
4.4- Recherche de solutions pour la fonction technique FT4 :
Fonctions techniques
Solutions
FT4:
Guider
les
panneaux
en
rotation par rapport
au châssis
Charnières
Liaison pivot
châssis/panneaux
Pour réaliser cette liaison, j’ai pensé utiliser des charnières. Cela permettra de mettre les
panneaux précisément à l’horizontal lors de la désinstallation du manège.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
9
PROJET MANÈGE FLIPPER
L'entreprise Pinet est spécialisée dans la fabrication de charnières. Dans leurs modèles
standards, la longueur des charnières peut aller jusqu’à 2040 mm. En cas de besoin,
l’entreprise peut aussi faire de la fabrication sur mesure.
Cependant, il est préférable de prendre des charnières standards. La largeur des panneaux
centraux étant de 2,5 mètres, il faudra dans ce cas prendre plusieurs charnières pour la
réalisation de cette liaison.
Critères de choix :
•
•
•
Dimensions
Matériau
Résistance à la corrosion
4.6- Recherche de solutions pour la fonction technique FT5 :
Fonctions techniques
FT5: Immobiliser les
deux remorques
FT51: Assurer
mise en position
Solutions
la
Pieds
stabilisateurs
Pieds stabilisateurs
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
10
PROJET MANÈGE FLIPPER
V. Conception détaillée
5.1- Etude statique :
5.1.1- Création du modèle de calcul :
J’ai réalisé une étude statique à l’aide du logiciel RDM Ossatures afin de déterminer les efforts
appliqués en chaque point de liaison dans le but ensuite de pouvoir dimensionner les pièces
nécessaires à ma conception.
Placement des noeuds :
Pour commencer la création de ce modèle, j’ai tout d’abord placé les nœuds (les points) de
chaque liaison du système suivant les coordonnées X et Y. Les coordonnées ont été
déterminées à partir de l’étude dynamique faite par Christophe.
Modélisation des poutres :
Ensuite, il a fallu créer des poutres entre les nœuds.
Y
Panneaux
X
Ensemble
vérins X3
Châssis
Les cercles verts correspondent à des liaisons internes au système.
Création des liaisons :
Nous avons mis une rotule (cercle rouge) qui correspond à la liaison pivot entre les panneaux
et le châssis. Puis, trois appuis fixes (triangles rouges) qui correspondent aux liaisons pivots
entre les vérins et le châssis.
Y
X
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Application des charges :
Pour finir ce modèle de calcul, on a appliqué une charge de 120 000 N (effort déterminé par
Jérémy à partir de la masse de ses panneaux) sur l’ensemble de la pente de 40 mètres. C’est
un effort réparti également sur toute la longueur.
Y
X
5.1.2- Bilan des efforts :
Voici le récapitulatif des efforts calculés par RDM Ossatures qui sont appliqués sur les liaisons
sur lesquelles je travaille. Le point 5 correspondant à l’encastrement entre les remorques.
Y
X
1
2
5
4
3
Efforts au point 1 : Ry= 14 058,2 N
Efforts au point 2 : Ry= 30 674,1 N
Efforts au point 3 : Ry= 22 257,4 N
Efforts au point 4 : Ry= 32 730,3 N
Efforts au point 5 : N= 6 850,5 N ; Ty= -268,4 N ; Mfz= -2 147,4 N
Quand je ferai des études RDM, je m’appuierai sur ces efforts pour dimensionner mes pièces.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
12
PROJET MANÈGE FLIPPER
5.2- Conception de la fonction technique FT1 :
5.2.1- Conception des remorques :
Suite à une conversation avec monsieur Jean-Pierre Santin, qui est le directeur de JPS et notre
principal coordinateur pour ce projet, il m’a fait savoir que les entreprises qui fabriquent des
remorques sur mesures achètent seulement les essieux des remorques comme éléments
standards. C'est-à-dire que le châssis peut être totalement libre au niveau des dimensions.
Dans mon cas, il faut que je respecte certaines dimensions.
Modélisation du châssis :
Je vais partir sur des remorques avec une longueur de 15 mètres comme l’entreprise me
l’avait spécifié dans le cahier des charges initial. La largeur de la remorque sera de 2,4
mètres.
Voilà pour l’encombrement général des remorques. Ensuite, j’ai modélisé quelques détails du
châssis (pieds stabilisateurs, tête d’attelage…).
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
13
PROJET MANÈGE FLIPPER
Le matériau à utiliser pour la conception de ce châssis m’a
été imposé par JPS. Celui-ci est un acier S355J0 (conforme à
la norme EN 13814, voir annexe n°2). Cette norme servira au
choix des matériaux de toutes les pièces à concevoir.
Modélisation des essieux :
Pour la modélisation des roues, j’ai pris des pneus de 33 pouces, ce qui correspond à environ
850 mm de diamètre.
Ensuite, j’ai procédé à la modélisation des jantes.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
14
PROJET MANÈGE FLIPPER
Et finalement, j’ai conçu une barre d’essieu, de manière à ce que l’essieu ait une largeur
totale de 2,5 mètres, tout comme le châssis.
Ensuite, j’ai assemblé les jantes, les pneus et la barre d’essieu pour faire un essieu complet.
Assemblage des sous-ensembles :
Ensuite, j’ai procédé à l’assemblage des essieux sur le châssis pour pouvoir créer la
remorque.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
15
PROJET MANÈGE FLIPPER
5.2.2 – Assemblage des remorques :
Le principe de l’assemblage entre les deux remorques est de réaliser une liaison
encastrement par le biais d’axes pour goupilles et de goupilles type « Bêta ». Les axes
serviront au centrage des deux remorques par le biais de deux supports directement soudés
au châssis de chacune de celles-ci.
Choix des axes de liaison :
J’ai conçu des axes de liaison DIN EN 22341 pour goupilles de type standard en acier S235
(voir annexe n°1) qui est un matériau généralement utilisé pour les arbres et les axes
(matériau conseillé par Monsieur Santin) en m’appuyant sur des modèles standards existants
dans la bibliothèque de composants CAO Trace Parts. Le fournisseur proposant ces axes est
MBO Osswald. Il faut donc déterminer le diamètre minimal à prendre pour résister aux
charges définies précédemment. Pour toutes les études RDM à venir, on prendra comme
coefficient de sécurité cs=4 (valeur conseillée par monsieur Santin). Pour le moment, on
prendra arbitrairement un axe de diamètre d=20 mm pour réaliser notre étude. D’après mon
étude statique réalisée avec RDM Ossatures, cet axe est soumis à l’effort normal N de 6850 N
trouvé au nœud 5 :
Données matériau :
On va tout d’abord dimensionner l’axe en flexion dans une étude RDM.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
16
PROJET MANÈGE FLIPPER
La contrainte maximale sur cet axe doit être donc inférieure à 58,75 Mpa. On va calculer
dans le cas d’un axe de diamètre 20 mm la contrainte maximale subite par cet axe grâce au
logiciel RDM Flexion.
Création du modèle :
Pour commencer, il faut entrer les abscisses (en mm) des différents nœuds de l’axe étudié :
•
•
•
Nœud 1 (extrémité gauche de l’axe) : 0 mm
Nœud 2 (point d’application de l’effort) : 40 mm
Nœud 3 (extrémité droite de l’axe) : 80 mm
Ensuite, il faut créer une poutre de type cylindre de diamètre 20 mm passant par les 3 nœuds
qui ont été placés.
Cylindre Ø 20 mm
Après cela, il faut placer les liaisons nodales. Celles les plus adaptées pour une étude de
flexion sont les appuis simples.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
17
PROJET MANÈGE FLIPPER
Il y a un effort tranchant de 6850,5 N suivant l’axe Y appliqué au nœud 2. Dans le logiciel, Il
faut le représenter comme une charge nodale et non comme une charge uniformément
répartie.
Charge nodale
de -6850.5 N
Le modèle est maintenant finalisé. On peut donc maintenant effectuer le lancement du
calcul.
Visualisation des résultats :
Après le lancement du calcul, le logiciel nous donne différents résultats : déformée de la
poutre, effort tranchant, moment fléchissant, répartition des contraintes.
La flèche maximale s’élève à 0,0443 mm, elle est donc négligeable.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
18
PROJET MANÈGE FLIPPER
La contrainte maximale sur un axe de diamètre 20 mm s’élève donc à 174,45 Mpa. Cette
valeur est très supérieure à 58,75 Mpa (contrainte maximale à respecter). Maintenant, il faut
déterminer le diamètre minimal de l’axe pour que ce paramètre soit respecté.
Optimisation :
Pour optimiser mon étude, il faut entrer la contrainte que l’on veut respecter dans la rubrique
« Optimiser ».
Ensuite, il faut lancer le calcul pour que le logiciel détermine le diamètre minimal de l’axe
pour respecter cette contrainte.
Il faut donc prendre un diamètre normalisé minimal de 30 mm. Suite à une discussion avec
Monsieur Santin, il m’a conseillé de prendre un diamètre de 40 mm (ceci est dû à tous les
autres efforts extérieurs appliqués à l’axe qui ont été négligés). Je peux donc m’inspirer de
l’axe standard suivant :
Ø nominal
Ø tête
Longueur
Ø alésage goupille
40 mm
55 mm
100 mm
8 mm
Après une demande de devis effectuée auprès de l’entreprise MBO Osswald (voir annexe
n°3), le montant pour deux axes de liaison s’élève à 132,44€.
Pour la modélisation de ces axes, j’ai pris les fichiers CAO sur le site Trace Parts. Je n’ai juste
qu’à appliquer le matériau des axes dans Solidworks.
Choix des goupilles « Bêta » :
Maintenant que les axes ont été choisis, il faut choisir les goupilles « Bêta » qui vont avec. J’ai
trouvé un fournisseur de goupilles « Bêta » : L’étoile. Ils ont une gamme de goupilles « Bêta »
en acier zingué de plusieurs dimensions possibles.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
19
PROJET MANÈGE FLIPPER
Dans notre cas, les alésages des axes (ceux qui ont été choisi) pour les goupilles sont de
diamètre 8 mm. Je vais donc prendre des goupilles avec un diamètre de fil de 6 mm
(monsieur Santin m’a imposé du jeu dans cette liaison pour faciliter l’installation par les
forains). Elles sont utilisables pour des axes ayant un diamètre nominal variant de 30 à 40 mm,
je peux donc valider mon choix pour cette référence.
Ø du fil
Longueur
Ø axes
6 mm
110 mm
de 30 à 40 mm
Pour la modélisation de ces goupilles, j’ai procédé de la même manière que pour les axes.
J’ai ensuite appliqué le matériau sur celles-ci dans Solidworks.
Conception des supports avant :
Pour commencer, j’ai conçu des supports avec des dimensions approximatives en attendant
de faire une étude RDM.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
20
PROJET MANÈGE FLIPPER
Étude RDM du support avant :
Avant de réaliser une analyse par éléments finis de ce support, il faut lui appliquer un
matériau. C’est une pièce statique qui sera soumise à d’importants efforts. Le matériau le plus
approprié pour cette configuration est un acier S355 (voir annexe n°2).
Maintenant, je peux réaliser une étude statique de cette pièce grâce au module
« Simulation » de Solidworks.
Tout d’abord, il faut réaliser le modèle de la pièce. Pour se faire, il faut commencer par
spécifier les mouvements imposés de la pièce.
Cette pièce est soumise à l’effort de traction de 6850 N au niveau des alésages donc à 3425
N par alésage. On assimilera cet effort par un chargement de palier.
Il faut maintenant mailler la pièce le plus finement possible pour que les résultats obtenus
soient le plus proche de la réalité.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
21
PROJET MANÈGE FLIPPER
On a tous les éléments nécessaires à la création d’un modèle. Il faut maintenant exécuter le
calcul. Il y a plusieurs résultats à interpréter.
Premièrement, je vérifie la déformation de la pièce.
Déformation équivalente amplifiée 20 000 fois
Dans la réalité, la pièce aura tendance à se déformer de cette façon.
Ensuite, il faut vérifier le déplacement maximal d’un point.
Déplacements (mm)
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
22
PROJET MANÈGE FLIPPER
Ici, le déplacement maximal est très faible et négligeable.
Enfin, il faut vérifier la contrainte de Von Misès maximale appliquée à cette pièce.
Dans notre cas, le matériau est un acier S355.
La contrainte maximale doit donc être strictement inférieure à 88,75 Mpa.
Répartition de la contrainte de Von Mises (Mpa)
La valeur maximale est très inférieure à 88,75 Mpa. Donc, les dimensions actuelles peuvent
convenir.
Conception des supports arrière :
J’ai procédé de la même manière que pour les supports avant. J’ai commencé par
concevoir les supports avec des dimensions choisies arbitrairement.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Étude RDM du support arrière :
Avant de réaliser une analyse par éléments finis de ce support, il faut lui appliquer un
matériau. C’est une pièce statique qui sera soumise à d’importants efforts. Le matériau le plus
approprié pour cette configuration est un acier S355 (voir annexe n°2).
Je procède de la même manière pour créer mon modèle de calcul.
Cette pièce est soumise à l’effort de traction de 6850 N au niveau de l’alésage.
Effort de
6850 N
Ensuite, j’ai créé le maillage de la pièce.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Maintenant, je lance le calcul et j’interprète tous les résultats qui me sont donnés.
Déformation équivalente amplifiée 50 000 fois
C’est le même type de déformation que le support avant. Mon modèle est donc correct.
J’effectue maintenant la vérification des déplacements.
Déplacements (mm)
Le déplacement maximal est de même négligeable pour ce support.
En ce qui concerne la contrainte de Von Mises, la valeur à respecter reste la même (88,75
Mpa) puisqu’on utilise le même matériau.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Répartition de la contrainte de Von Mises (Mpa)
La valeur maximale est très inférieure à 88,75 Mpa. Donc, les dimensions actuelles peuvent
convenir.
Calcul des cordons de soudures :
Maintenant que j’ai toutes les pièces nécessaires à la réalisation de cet assemblage, je n’ai
plus qu’à effectuer les soudures entre les supports et le châssis des deux remorques.
Premièrement, je calcule les soudures pour les supports avant. Celles-ci subiront l’effort de
traction induit par les axes de liaison.
Dans ce cas, j’utilise des soudures d’angle qui sont les plus appropriées dû au positionnement
des pièces à souder. Il faut maintenant déterminer l’épaisseur minimale des cordons de
soudure. La longueur à souder à prendre en compte est le périmètre de la pièce concernée.
En construction une largeur de 1 mm n’est pas possible, on prendra donc des cordons de
soudure de 5 mm.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
26
PROJET MANÈGE FLIPPER
On prendra plutôt des cordons de type convexe qui supporteront mieux les efforts appliqués.
J’ai utilisé une fonction d’assemblage de Solidworks nommée « cordon de soudure » pour
pouvoir les modéliser.
J’ai suivi la même procédure pour calculer les cordons de soudure pour supports arrière.
Pour les mêmes raisons que précédemment, on prendra des cordons de soudure de 5 mm.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
27
PROJET MANÈGE FLIPPER
Assemblage des sous-ensembles :
Maintenant, je n’ai plus qu’à
assembler toutes mes pièces dans
Solidworks.
Finalement,
après
réflexion, je me suis rendu compte
qu’il était très compliqué d’aligner
les deux remorques pendant
l’installation. Il faut donc articuler
les supports arrière pour compenser
le
défaut
d’alignement.
Par
manque de temps, je n’ai pas pu
réaliser cette étude.
5.3 – Conception de la fonction technique FT2 :
5.3.1- Choix des composants de guidage en rotation :
La durée de montée de la pente du manège dure environ 120 secondes (paramètre
déterminé par Christophe). Durant cette phase, le vérin passe donc de la position horizontale
à la position quasiment verticale (un quart de tour) en 120 secondes. La vitesse de rotation du
corps du vérin par rapport au châssis est de 0,125 tr/min. Cette vitesse est vraiment très faible,
j’ai donc jugé qu’il n’était pas nécessaire de prendre des roulements. Ce choix a été validé
par Monsieur Santin. Je choisis donc des coussinets plutôt que des roulements pour permettre
ce guidage en rotation.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Choix du type de coussinets :
J’ai fait des recherches sur le site de l’entreprise SKF, qui est un fabricant de coussinets. Il y a
plusieurs matériaux disponibles pour des coussinets :
•
•
•
•
•
•
•
•
Bronze massif
Bronze fritté
Bronze roulé
Composite PTFE
Composite POM
Composite sur support inoxydable
Polyamide PTFE
Fibres multicouches
Il faut donc que je détermine, parmi tous ces types de coussinets, celui qui est le plus
approprié dans ma situation.
Caractéristiques générales :
Voici dans le tableau ci-dessous les différentes caractéristiques générales des coussinets en
fonction des matériaux. Il faudra que je prenne en compte ces données pour faire mon
choix.
Auto
lubrification
Entretien
Résistance
pollution
Résistance
corrosion
Chocs et
vibrations
Coût
Bronze
Bronze
Bronze
Support
Poly
Fibres
massif
fritté
roulé
inox
PTFE
multi
-
+
+
++
++
++
-
++
+
++
++
++
++
-
0
-
-
+
0
+
0
0
++
++
++
+
0
+
0
0
0
-
++
0
+
+
++
++
-
++
-
PTFE
POM
-
++
+
0
+
0
+
++ : Convient particulièrement
+ : Convient
0 : Acceptable
- : Ne convient pas
Caractéristiques techniques :
Il y aussi, bien évidemment, des caractéristiques techniques sur lesquelles je vais devoir
m’appuyer pour choisir le type de coussinets qu’il me faut.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
29
PROJET MANÈGE FLIPPER
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
30
PROJET MANÈGE FLIPPER
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
31
PROJET MANÈGE FLIPPER
Détermination d’un indice de performance :
Sachant qu’il y a plusieurs paramètres à prendre en compte pour choisir le type de
coussinets, il faut que je fasse mon choix grâce à un indice de performance. Dans mon cas, il
faut maximiser la charge admissible et l’auto lubrification et minimiser le coût, l’entretien et le
coefficient de frottement. L’indice se calculera donc en un quotient où l’on mettra le produit
des paramètres à maximiser au numérateur et le produit des paramètres à minimiser au
dénominateur.
On calculera ensuite la valeur de cet indice pour chaque type et on choisira le type ayant
l’indice le plus élevé.
Exemple : calcul de I pour le bronze massif :
D’après les résultats, il faut donc prendre des coussinets en composite PTFE.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Dimensionnement des coussinets :
Le diamètre de l’arbre étant de 120 mm (déterminé par Christophe), il faut donc un diamètre
intérieur de 120 mm pour les coussinets. Il faut maintenant calculer la longueur utile des
coussinets tout en vérifiant la pression spécifique admissible par les coussinets. Dans notre
cas, la pression spécifique à respecter est 62,5 Mpa en prenant en compte un coefficient de
sécurité de 4 (composite PTFE donc 250 Mpa de pression spécifique admissible en statique).
D’après l’étude dynamique définie par Christophe, les coussinets subiront l’effort maximal de
poussée développé par un vérin qui est de 322 652 N, donc 161 326 N par coussinet (effort
horizontal car les vérins sont en position horizontale au début de la phase de montée).
Il faut donc prendre des coussinets ayant un diamètre intérieur minimal de 120 mm et une
longueur minimale de 22 mm. J’ai regardé dans le catalogue SKF (voir annexe n°4) et j’ai
trouvé un coussinet qui convient.
En ce qui concerne la modélisation de ces
coussinets, j’ai téléchargé directement les
fichiers CAO sur le site internet de SKF.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
5.3.2- Conception des chapes d’articulation :
Première conception :
J’ai commencé par réaliser une première esquisse en fonction de plusieurs paramètres liés à
la conception de Christophe. La largeur totale du système de levage et de 500 mm
comprenant deux vérins et deux poutres.
J’ai pris également en compte la dimension de 60 mm qui correspond à la largeur des
coussinets. Pour finaliser la modélisation de cette pièce, je n’ai plus qu’à prendre en compte
les diamètres extérieurs des coussinets qui sont de 125 mm pour ainsi faire les alésages sur la
pièce.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Analyse par éléments finis :
Afin de vérifier si ma pièce est bonne, il est nécessaire d’effectuer une étude statique grâce à
une analyse par éléments finis.
Application du matériau :
Le matériau que j’utilise dans cette étude est un acier S235. Celui-ci m’a été conseillé par
monsieur Santin pour la conception de ma chape.
Détermination des mouvements imposés :
La chape d’articulation sera soudée sur le châssis de la remorque donc la surface plane du
dessous sera considérée comme étant une géométrie fixe.
Application des efforts :
La chape est soumise aux efforts des vérins transmis par les coussinets. De ce fait, j’applique
un effort horizontal de 161 326 N par alésage.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Création du maillage :
Ensuite, il faut mailler la pièce le plus finement possible pour pouvoir obtenir des résultats les
plus réalistes possibles.
Interprétation des résultats :
Déformation équivalente amplifiée 100 fois
La pièce aurait tendance à se déformer comme ceci dans la réalité.
Déplacements (mm)
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Le déplacement maximal est de 0,67 mm et donc n’est pas négligeable.
Répartition de la contrainte de Von Mises (Mpa)
La contrainte maximale sur cette pièce s’élève à 476,9 Mpa. La contrainte à respecter est de
58,75 Mpa, cette pièce ne résiste donc pas aux charges appliquées. Il faut donc optimiser
cette pièce pour qu’elle résiste aux efforts subis. Pour se faire, il faut épaissir la pièce aux
endroits où les contraintes sont trop élevées.
Optimisation de la pièce :
Pour effectuer une optimisation dans les meilleures conditions, il est important de bien définir
trois paramètres indispensables : l’objectif, les limites et les variables. Dans mon cas, l’objectif
de celle-ci est de respecter la contrainte de Von Mises maximale de 58,75 Mpa (limite). Pour
ceci, il faut modifier quelques dimensions. Celles qui sont modifiables sont toutes les
dimensions qui n’ont pas d’influence sur la conception comme, par exemple, la profondeur
de rainure.
Régis Vacheresse
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Conception de l’ensemble remorque
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Après quelques modifications de dimensions et de formes, voici la pièce optimisée au final.
La masse de cette pièce s’élève à environ 127,6 kg.
Sachant que le prix de l’acier est d’environ 550
€/tonne, le prix en matière première pour cette pièce
s’élèverait à environ 70 €.
Il faut maintenant vérifier que cette pièce respecte bien le critère de résistance.
Répartition de la contrainte de
Von Mises (Mpa)
Déplacements (mm)
La contrainte maximale est de 43,1 Mpa, ce qui est inférieur à 58,75 Mpa. En ce qui concerne
le déplacement, il s’élève à 0,05 mm au maximum, ce qui est négligeable. La pièce est donc
valide.
Régis Vacheresse
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Conception de l’ensemble remorque
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PROJET MANÈGE FLIPPER
5.3.3- Assemblage des sous-ensembles :
Calcul des cordons de soudures:
Pour réaliser l’assemblage des chapes sur les châssis des remorques, j’utilise le soudage. Il
faut donc déterminer l’épaisseur minimale que doit avoir les cordons de soudure.
Dans mon cas, j’utilise des soudures d’angles qui sont les plus appropriées. J’ai entré les
paramètres suivants pour les créer :
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Assemblage des pièces :
J’ai commencé par assembler les coussinets dans les alésages des chapes.
Ensuite, il a fallu positionner les chapes par rapport aux remorques. Pour se faire, j’ai tenu
compte des positions relatives des liaisons entre elles (définies par Christophe lors de son
étude dynamique des vérins) : 9000 mm entre les centres des alésages des premières
chapes et l’avant de la remorque, et également 9000 mm entre les chapes. J’ai finalement
pu obtenir l’assemblage suivant.
9000
Régis Vacheresse
9000
~
9000
Conception de l’ensemble remorque
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PROJET MANÈGE FLIPPER
5.4 – Conception de la fonction technique FT3 :
Pour cette fonction, qui correspond à la liaison pivot entre les chevalets et les remorques,
j’utilise exactement les mêmes chapes d’articulation et bien évidemment les mêmes
coussinets. Cela permettra de fabriquer les chapes en série et de réduire le coût de
fabrication.
5.5 – Conception de la fonction technique FT4 :
5.5.1 – Choix des vis :
Pour cette fonction qui correspond à la liaison pivot entre les panneaux centraux et le châssis
de la remorque avant par le biais d’une charnière, il faut commencer par déterminer le
diamètre minimal que doivent avoir les vis pour supporter l’effort d’arrachement défini par
l’étude statique grâce au logiciel RDM Ossatures (effort au point 1). Cet effort d’arrachement
est égal à environ 14060 N.
Dans notre cas, nous allons réaliser l’étude avec des vis en acier ayant une classe de
résistance 8.8 (classe autorisée par la norme EN 13814, voir annexe n°5). Pour des vis de cette
catégorie la limite élastique du matériau est : Re= 640 Mpa. Comme le coefficient de sécurité
est de 4, la limite élastique sera donc de 160 Mpa pour cette étude.
Régis Vacheresse
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Conception de l’ensemble remorque
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Il faut donc prendre des vis M12 pour l’assemblage des charnières. Pour établir leur
modélisation dans Solidworks, j’ai utilisé la bibliothèque de composants CAO intégrée à
Solidworks nommée « Toolbox ».
5.5.2 – Choix de la charnière :
Jérémy a déterminé la charnière nécessaire chez le fournisseur Pinet. Voici ses dimensions
exactes :
Concernant la modélisation CAO des charnières, nous avons directement téléchargé les
fichiers sur le site de Pinet.
Régis Vacheresse
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Conception de l’ensemble remorque
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BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
5.5.3 – Conception du support de charnière :
J’ai tout d’abord commencé par faire une première esquisse correspond aux dimensions de
la charnière : longueur de 2100 mm et demi-largeur de 60 mm (la charnière fait 120 mm de
largeur au total). J’ai ensuite fait une extrusion de 100 mm afin de permettre un rehaussement
en bout de remorque, ce qui permettra de faire une place suffisante au système de levage
lors de la désinstallation du manège. Pour finir, j’ai réalisé des taraudages M12 pour recevoir
les vis choisies précédemment.
9 taraudages M12
Maintenant, il faut réaliser les soudures pour assembler le support de charnière sur le châssis
de la remorque.
14 060 N
2100
Régis Vacheresse
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Conception de l’ensemble remorque
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PROJET MANÈGE FLIPPER
En construction des cordons de soudure de 1 mm n’existent pas donc on prendra des
soudures avec une épaisseur de 5 mm.
5.5.3 – Assemblage des sous-ensembles :
Nous avons maintenant tous les éléments nécessaires pour satisfaire la fonction technique
FT4. J’ai procédé donc à l’assemblage.
Régis Vacheresse
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Conception de l’ensemble remorque
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BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
VI. Pré-industrialisation
6.1. - Présentation de la pièce :
6.1.1 - Fonction de la pièce étudiée :
La pièce étudiée nommée « chape d’articulation » a plusieurs fonctions. Elle sert
principalement à porter les coussinets, mais aussi à guider en rotation le système de levage
par rapport au châssis de la remorque.
6.1.2 – Série de fabrication :
Le manège Flipper est un prototype et sera fabriqué à l’unité donc la pièce « chape
d’articulation » va être fabriquée en série de 8 pièces (6 chapes pour le système de levage et
2 pour les chevalets). Tous les procédés de grandes séries sont donc exclus pour la
réalisation de cette pièce.
6.2. – Spécification des conditions fonctionnelles :
6.2.1 – Repérage des surfaces fonctionnelles :
Les schémas suivants représentent toutes les surfaces fonctionnelles de la pièce. Le tableau
joint les répertorie et indique leurs fonctions respectives.
Régis Vacheresse
~
Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Surfaces
Fonctions
GC1
Permet le montage et le maintien en position des coussinets (ajustement serré)
S1
Permet le positionnement de la chape sur le châssis (soudage)
S2
Permet l’arrêt axial du système de levage grâce à une liaison appui plan
S3
Permet l’arrêt axial du système de levage grâce à une liaison appui plan
S4
Surface d’appui des chapeaux
S5
Surface d’appui des chapeaux
6.2.2 – Conditions fonctionnelles :






Planéité des surfaces S1, S4 et S5
Parallélisme entre les surfaces GC1 et la surface S1
Perpendicularité entre GC1 et les surfaces S2 et S3
Coaxialité des deux portées de coussinets GC1
Ajustement serré des coussinets dans leur logement
Jeu Ja entre la surface S2 et le système de levage évitant le frottement entre les deux
pièces
6.2.3 – Jeu fonctionnel Ja :
Régis Vacheresse
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Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Pour garantir le bon fonctionnement de la liaison, il faut un jeu minimum et maximum entre la
chape d’articulation 1 et le bras inférieur 3 du système de levage. Pour se faire, j’impose un
jeu fonctionnel minimal de 2 mm et un jeu maximal de 5 mm. La chaîne de cotes faite
précédemment permettra de déterminer la cote moyenne a1 qui correspond à la largeur de
rainure de la chape.
D’après les résultats la cote moyenne et donc de 503,5 mm avec un intervalle de tolérance
de 1 mm. Je reporte donc ceci sur le dessin de définition de la chape.
Régis Vacheresse
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Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
6.2.4 – Tableau d’analyse préparatoire à la spécification :
J’ai fait un tableau de préparation à la cotation (voir ci-dessus) qui permet de faciliter la mise
en plan de la chape d’articulation.
Premièrement, il faut que la surface S1 soit plane pour garantir la bonne mise en position sur
le châssis. De ce fait, je mets une spécification de planéité.
Régis Vacheresse
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Conception de l’ensemble remorque
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BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Ensuite, il faut que les axes des surfaces cylindriques GC1 soient parallèles à la surface S1. De
plus, pour éviter que le système de lavage touche le fond de la rainure il faut les localiser par
rapport à cette même surface.
Régis Vacheresse
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Conception de l’ensemble remorque
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BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Enfin, il faut garantir une quantité de matière identique de chaque côté pour recevoir les
coussinets convenablement dans chaque alésage. Pour se faire, j’établis une localisation des
surfaces extérieures S4 et S5 entre elles ainsi qu’une symétrie de celles-ci par rapport au plan
médian des surfaces S2 et S3.
6.3. – Procédé de mise en forme :
Il est évident que les surfaces fonctionnelles seront usinées. Mais, il faut choisir le procédé
primaire de mise en forme de la chape. Deux procédés s’ouvrent à moi : le moulage ou
l’usinage complet. J’ai comparé pour les deux solutions le volume de matière perdue.
Procédé d’usinage :
La pièce peut être usinée à partir d’un prisme 628 x 380 x 355.
Volume du brut : 84 717 cm³
Volume de la pièce finie : 16 849 cm³
Volume de matière perdue : 67 868 cm³
Régis Vacheresse
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Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Procédé de moulage :
La pièce peut être moulée en procédé primaire puis usinée pour obtenir les surfaces
fonctionnelles (représentées en rouge).
Volume du brut : 18 534 cm³
Volume de la pièce finie : 16 849 cm³
Volume de matière perdue : 1 685 cm³
Le volume de matière perdue est nettement moins important avec le procédé de moulage.
Choix définitif du procédé de mise en forme :
Je choisis donc le moulage comme procédé primaire et l’usinage comme procédé
secondaire.
6.4. – Étude de moulage :
La fabrication des chapes d’articulation se fera en petite série. De ce fait, le moulage en
sable est le plus approprié.
6.4.1– Création du moule :
J’ai créé le moule nécessaire pour fabriquer les chapes en faisant une empreinte d’une
chape à l’intérieur d’un prisme qui servira de moule.
Régis Vacheresse
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Conception de l’ensemble remorque
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BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Empreinte de la chape
Ensuite, il a fallu que je fractionne le moule pour pouvoir obtenir deux parties bien distinctes :
un châssis supérieur et un châssis inférieur.
Empreinte
Châssis supérieur
Régis Vacheresse
~
Perçage pour insertion
du noyau
Conception de l’ensemble remorque
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Châssis inférieur
6.4.2– Modèle de moulage final :
Noyau
Empreinte
Régis Vacheresse
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Châssis supérieur
Châssis inférieur
Conception de l’ensemble remorque
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PROJET MANÈGE FLIPPER
6.4.3 – Réalisation des congés :
Il ne faut pas d’angles vifs lorsqu’une pièce est moulée donc j’ai mis des congés de 5 mm (en
rouge) sur tous les angles vifs de la pièce.
6.4.4 – Analyse des dépouilles :
Pour faciliter le démoulage de la pièce, il doit y avoir des dépouilles sur certaines surfaces.
J’ai fait une analyse de dépouille qui permettra de déterminer les surfaces à dépouiller dans
le cas où le sens de démoulage sera vers le haut.
D’après l’analyse, il faut faire des dépouilles sur les surfaces jaunes.
Régis Vacheresse
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Conception de l’ensemble remorque
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BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
VII. Divers
7.1- Échéance du projet :
La conception détaillée, notamment la réalisation de la maquette numérique m’a pris
nettement plus de temps que prévu. Mais, j’ai pu rattraper mon retard grâce à la préindustrialisation qui m’a pris moins de temps que je le pensais. Finalement, la durée totale de
mon étude est estimée à environ 235 heures, ce qui est inférieur aux 240 heures que l’on
s’était fixées auparavant.
Régis Vacheresse
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Conception de l’ensemble remorque
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BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
VIII. Conclusion
Ce projet industriel de deuxième année qui nous a été confié m’a permis d’élargir et
d’enrichir mes connaissances avant mon entrée dans le monde du travail. Par ailleurs, il m’a
offert la possibilité de mettre en pratique les connaissances acquises au cours des deux
années passées.
Sur le plan personnel, ce projet m’a permis d’apprendre énormément sur la communication
au sein d’un groupe et surtout travailler en partenariat avec divers industriels.
D’autre part, le thème industriel m’a permis de suivre la démarche complète d’un projet du
début à la fin comme le font les entreprises.
Ce thème industriel m’a permis de réaliser l’importance des enjeux économiques.
Les délais sont également un point essentiel dans l’industrie. En effet, j’ai pris conscience de
la réalité du monde du travail et des entreprises à travers ces deux critères.
Je tiens à remercier Monsieur Santin pour nous avoir offert la possibilité de réaliser ce thème
industriel. Je remercie également mes professeurs Madame Contri, Madame Germain,
Monsieur Stauder et Monsieur Xerri pour nous avoir guidés tout au long du projet. Pour finir, je
remercie mon équipe de projet, cela a été un réel plaisir de travailler avec eux tout au long
de l’année.
Ce projet est la finalité de mon cursus de BTS CPI. Après ces deux années passées, mon envie
de travailler dans le secteur de la conception mécanique s’est accentuée. En effet, je
souhaite poursuivre mes études en apprentissage pour effectuer une licence professionnelle
pour ainsi me former aux métiers du domaine de la simulation numérique et du calcul en
mécanique.
Régis Vacheresse
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Conception de l’ensemble remorque
~
BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Annexe n°1
Extrait du catalogue ACTM - Trailor
Régis Vacheresse
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Conception de l’ensemble remorque
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BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Annexe n°2
Extrait de la norme EN 13814 – Page 15
Régis Vacheresse
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Conception de l’ensemble remorque
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BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Annexe n°3
Devis MBO Osswald – Axes de liaison
Régis Vacheresse
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Conception de l’ensemble remorque
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BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Annexe n°4
Extrait du catalogue SKF – paliers lisses et coussinets
Régis Vacheresse
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Conception de l’ensemble remorque
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BTS CPI
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PROJET MANÈGE FLIPPER
Annexe n°5
Extrait de la norme EN 13814 – Page 51
Régis Vacheresse
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Conception de l’ensemble remorque
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BTS CPI
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