Rapport Système de Freinage

1 UED Transmission de puissance

Module ORITE 2ème année Génie Mécanique

FROIDUROT Laurent GRIMICH Karim

RAPPORT DE CONCEPTION

CONEPTION D’UN SYSTEME DE FREINAGE POUR AUTOMOBILE A VITESSE LIMITEE

Froidurot Laurent Grimich Karim

Encadré par : M. Saletti

UED Transmission de puissance Module ORITE

2ème année – Génie Mécanique




SOMMAIRE I. PRESENTATION ........................................................................................................... 3

I.1. Mise en situation :..................................................................................................... 3 I.2. Cinématique de l’essieu avant : ................................................................................ 4

II. CHOIX DE CONCEPTION........................................................................................... 5 II.1. Première proposition (Froidurot Laurent) : ............................................................. 5 II.2. Seconde Proposition (Grimich Karim) :.................................................................. 6 II.3. Discutions et choix du groupe :............................................................................... 7 II.3.a. Roulements : ......................................................................................................... 7 II.3.b. Etanchéité : ........................................................................................................... 7

II.3.c. Choix au vue de la fabrication :........................................................................ 8 II.3.d. Système de freinage : ....................................................................................... 9 II.3.e. Joint homocinétique : ....................................................................................... 9 II.3.d. Ecrou HFR à deux fentes : ............................................................................... 9

III. CALCULS DE DIMENSIONNEMENT.................................................................... 10 III.1. Fixation du moyeu sur l’arbre :............................................................................ 10 III.2.Liaison entre le moyeu et le porte moyeu :........................................................... 12

III.2.a. Modélisation :................................................................................................ 12 III.2.b. Dimensionnement : ....................................................................................... 12

i. Dimensionnement en statique :..................................................................... 12 ii. Dimensionnement en dynamique :................................................................ 13

III.3. Disque : ................................................................................................................ 12 III.4. Plaquette :............................................................................................................. 12 III.5. Piston : ................................................................................................................. 13 III.6. Liaisons par éléments filetés :.............................................................................. 13

IV. Mise en plan :.............................................................................................................. 13 V. Notice de montage : ..................................................................................................... 14 ANNEXES 1..................................................................................................................... 16




I. PRESENTATION

Nous avons pour but lors de ce projet de concevoir le système de freinage d’une voiture sans permis, la Microcar Virgo. N’ayant que ce système à concevoir nous devons prendre en compte des paramètres et modéliser les liaisons de ce système avec son milieu.

I.1. Mise en situation :

Les paramètres à prendre en compte sont les suivants : - Masse du véhicule : 620 kg - Vitesse initiale du véhicule : 45 km/h - Distance de freinage : 15m - Diamètre des roues : - Coefficient de frottement plaquette/disque : - Décélération provoquée par le frein moteur : - Diamètre maximal du disque de frein : - Pression hydraulique dans le système émetteur : - Pression limite entre de contact entre une plaquette de frein et le disque :

Les hypothèses que l’on fait sont :

- l’inertie des pièces tournantes est négligée - les frottements dans le guidage sont négligés, seule l’adhérence roue/sol et le

frottement dans le système de freinage sont pris en compte - le véhicule se déplace en ligne droite sur une route horizontale pendant la phase

de freinage - la décélération réalisée par le système de freinage est supposée constante - on modélise la pression appliqué par une plaquette sur le disque de frein par cette

formule où est le rayon intérieur de la plaquette de frein et la

pression maximum entre la plaquette et le disque de frein On effectue d’autres hypothèses que l’on précisera lors des calculs de dimensionnement en partie III du rapport.




I.2. Cinématique de l’essieu avant :

Scan du schéma cinématique de l’ensemble et choix de modélisation cinématique de la pivot.

Où les différents éléments sont : 1 : porte-moyeu, jambe d’amortisseur inférieure 2 : châssis, patte de fixation 3 : bras inférieur 4 : jambe d’amortisseur supérieure 5 : moyeu disque 6 : biellette de direction 7a et 7b : arbre de transmission 8 : arbre boîte de vitesse




II. CHOIX DE CONCEPTION

II.1. Première proposition (Froidurot Laurent) :




II.2. Seconde Proposition (Grimich Karim) :




II.3. Discutions et choix du groupe :

II.3.a. Roulements :

En ce qui concerne le choix des roulements rigides à billes, bien que nos

modélisations pour le calcul de durée de vie semblent être totalement différentes, nous avons choisi les mêmes. Nous avons donc dû discuter du choix de la modélisation afin de déterminer laquelle était plus proche de la réalité. Ceci nous a menés à la conclusion que nos deux modélisations n’étaient, au final, pas si différentes. Les deux modélisations sont :

- les freins travaillent en conditions extrêmes mais seulement durant la moitié du nombre de cycles de la durée de vie du roulement. On considère dans ce cas que l’on a répartition égale de la masse sur les quatre roues.

- les freins travaillent en condition normale durant toute leur durée de vie. Le poids du véhicule est à 60% sur les roues avant et on utilise un coefficient de sécurité

lors des calculs. Finalement ces deux hypothèses aboutissent au même résultat car on effectue en quelque sorte le même surdimensionnement en utilisant l’une ou l’autre des modélisations.

II.3.b. Etanchéité : On choisit une lubrification des roulements à la graisse. C’est pour cela que l’on peut mettre des joints à lèvre ou des chicanes. D’une part une chicane est difficile à usiner sur nos pièces et cela nous pose un problème de montage. Et d’autre part des pierres peuvent venir s’incruster au niveau des joints à lèvre et les abimer en condition d’utilisation normale. Nous avons donc opté pour un système avec des joints à lèvres et des pseudo-chicanes (cf schéma ci-contre) pour à la fois garder l’étanchéité et protéger les joints à lèvre. Ayant fait ce choix nous n’avons plus le problème de montage et d’usinage (cette partie de la pièce restera brut de fonderie).




II.3.c. Choix au vue de la fabrication : Certains de nos choix ont pour unique objectif de faciliter la fabrication ou de baisser les coûts de fabrication, en voici quelques exemples. Nous avons effectué plusieurs réductions de l’arbre dont une (cf figure ci-contre) afin de réduire le coût de l’usinage. En effet cette section de l’arbre si elle n’est pas réduite doit avoir un usinage de même qualité (30k6). En choisissant de faire cette réduction on peut alors faire un usinage grossier sur cette section d’arbre ce qui devrait réduire les coûts.

En ce qui concerne les pièces de fonderies nous avons essayé au maximum d’avoir des pièces d’épaisseur constante afin d’éviter les problèmes de retassure. Nous pouvons prendre pour exemple le moyeu qui est une pièce issu de fonderie et à qui nous




avons donné des formes (cf cercle rouge dans le schéma ci-contre) afin d’éviter au maximum les retassures.

II.3.d. Système de freinage :

Les technologies de freinage que l’on connait sont les feins à tambour et les freins à disque. Pour le système que l’on conçoit on choisit des freins à disque car ils sont à même de fournir un freinage plus efficace. Cependant après recherche nous avons découvert qu’il existait d’autres technologies de freinage tel que les freins EWB (« Electronic Wedge Brake »). Cette technologie développée par Siemens (« Siemens VDO ») nous semble aussi convenir car elle offre un bon freinage pour un très faible coût énergétique. Et de plus cette technologie est électrique ; il n’y aura donc aucun problème dû au circuit hydraulique. N’ayant pas toutes les connaissances sur cette technologie nous choisissons de concevoir notre système de freinage avec des freins à disque classique. (Voir annexe 1)

II.3.e. Joint homocinétique :

Il serait préférable de mettre un joint Rzeppa car le montage sera plus souple qu’avec un joint de cardan. En effet, avec un joint Rzeppa, la transmission de la rotation se fait de façon continue à l’aide d’un système de six billes. Cependant le joint de cardan coute à peu près deux fois moins chère qu’un joint Rzeppa (150€ au lieu de 350€ à peu près). Ceci n’est pas négligeable sur la fabrication de petites voitures sans permis c’est pour cela que nous avons choisi de mettre un joint de cardan.

II.3.d. Ecrou HFR à deux fentes :

On choisit de mettre un écrou HFR à deux fentes pour fixer le moyeu car grâce à ce type d’écrou le risque que l’écrou se desserre est très bas, voire nul.




III. CALCULS DE DIMENSIONNEMENT

III.1. Fixation du moyeu sur l’arbre : Afin de fixer le moyeu sur l’arbre nous choisissons tout d’abord une liaison clavetée car il s’agit d’une solution de moindre coût par rapport à une liaison cannelée. La longueur de la clavette à utiliser est donnée par le calcul ci-dessous :

On obtient alors :

Clavette Moyeu

Couple (Nm) 350

Diamètre de l'arbre (mm) 30

b (mm) 8

j (mm) 25

k (mm) 33,3

a (mm) 10

P (Mpa) 40

l (mm) 194,5

Ce qui n’est pas concluant car on ne peut se permettre de faire une clavette de cette dimension sur ce système. On opte alors pour une liaison cannelée. On aurait pu choisir de mettre deux clavettes opposées sur l’arbre mais cette solution technologique coûterait autant que la solution de l’arbre cannelé.




Pour choisir le type de cannelure on fait le calcul pour des séries fortes et des séries moyennes toujours afin de prendre la solution la moins onéreuse et la plus adaptée à notre système de freinage.

Cannelures Moyeu - Série Moyenne

Cannelures Moyeu - Série Forte

Couple (Nm) 350 Couple (Nm) 350

d (mm) 23 d (mm) 23

D (mm) 28 D (mm) 29

s (/mm de long) 9,5 s (/mm de long) 19

B (mm) 6 B (mm) 4

P (Mpa) 40 P (Mpa) 40

l (mm) 80 l (mm) 40

On choisit finalement des cannelures de série forte. On ne peut négliger le gain d’encombrement en utilisant ce type de cannelures par rapport à des séries moyennes.




III.2.Liaison entre le moyeu et le porte moyeu :

III.2.a. Modélisation : On modélise la liaison pivot entre le moyeu et le porte moyeu et le porte moyeu par une liaison rotule (en A) et une liaison linéaire annulaire (en B) comme sur le schéma suivant :

III.2.b. Dimensionnement :

i. Dimensionnement en statique :

On a le torseur des efforts de la roue sur le moyeu en O dans le pire des cas :

On applique alors le principe fondamental de la statique et on obtient :

Le moment en A nous donne :

On obtient de ces équations :

; ; ; ;




On a alors :

; ; et

On choisit de mettre en B et A un roulement rigide à billes de dimensions :

Au point A :

Au point B :

On a bien donc le roulement à billes n’est pas détérioré statiquement.

On a bien donc le roulement à billes n’est pas détérioré statiquement.

ii. Dimensionnement en dynamique :

Comme nous avons pu l’exposer en partie II.3.a. nous avons fait deux dimensionnements différents et en voici une présentation :

- Première méthode :

On suppose que 60% du poids est à l’avant du véhicule et on prend un coefficient de sécurité . On ne dimensionnera que les roulements pour les roues avant car ce sont ces roulements qui seront les plus sollicités.

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UED Transmission de puissance Module ORITE 2ème année Génie Mécanique


Donc

Ici

Et il nous faut au moins ce qui est respecté avec les roulements que l’on choisit.

- Seconde méthode :

Roulements

Durée de vie (km) 200000

L (Mtours) 126,3 130

Diamètre roue (mm) 504

a (mm) 65

b (mm) 20

Cas le plus défavorable

FrB (N) 7247,9

FrA (N) 5274,6

FaA (N) 1414

FaA/Co 0,048

FaA/FrA 0,268

En B P 7247,9

C 36716,7

En A P 5274,6

C 26720,2

Co (N) 29000

X 1

Y 0

Cas le moins défavorable

Masse véhicule (kg) 620

FrO(N) 1520,5

FrB (N) 675,8

FrA (N) -2196,3

En B P 675,8

C 3423,4

En A P 2196,3

C 11126,2

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On considère que le véhicule freine 50 % des cycles

Roulements correspondants

En B C 20070 30-62-16 20,3

En A C 18923 30-62-16 20,3

On trouve finalement les mêmes types de roulements pour les deux types de dimensionnements on les choisit alors.

III.3. Disque :

Les équations de la thermodynamique nous donne qu’il faudrait avoir un disque d’épaisseur supérieure à 1mm. Mais en réalité l’épaisseur des disques de frein est d’à peu près 6,4 mm pour des raisons de fabrication notamment en fonderie. Nous choisissons une épaisseur de 6,5mm.

III.4. Plaquette :

On calcul l’angle d’ouverture des plaquettes de freins :

C

C1C’1

Soit Q un point de la paquette de frein :

Donc

Soit

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III.5. Piston : Pour déterminer le diamètre des pistons du système de freinage on ajoute un limiteur de pression dans le circuit hydraulique et on calcul les forces de pressions. (La pression de service dans le circuit émetteur est de 70 bars)

Or

Donc

Soit

III.6. Liaisons par éléments filetés :

Pour la fixation du disque sur son support, il suffit de mettre deux vis M10. Nous choisissons d’en mettre quatre pour la stabilité du système. De Plus nous choisissons de mettre deux vis de positionnement pour le montage du disque (cf schéma ci-contre). Nous choisissons pour ces vis deux vis TFHC 4x8. Il n’est pas nécessaire d’avoir des vis avec de très grandes caractéristiques car elles ne servent que pour le montage du disque.

IV. Mise en plan :

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V. Notice de montage :

Les tâches à effectuer pour le montage sont dans l’ordre :

- monter le roulement 1 et l’entretoise 3 à la presse sur l’arbre - positionner l’arbre et le roulement dans le porte moyeu 2 - monter le roulement 4 à la presse sur l’arbre - monter le chapeau 5 qui est à visser - monter le chapeau 7 qui est à visser - monter le moyeu 6 sur les cannelures - positionner la rondelle, et serrer l’écrou HFR à deux fentes pour maintenir le

moyeu Après cela on positionne le disque sur le moyeu, on met les deux vis de positionnements. Puis on met les quatre vis qui maintiennent le disque.

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On visse l’étrier fixe 8 sur le porte moyeu 2. On monte les plaquettes de frein 11. On monte les goupilles 9 dans l’étrier fixe 8. On place l’étrier mobile 10 en comprimant le piston. On fixe les goupilles dans l’étrier mobile avec les vis CHC.

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ANNEXES 1

La révolution du freinage selon Siemens: les freins EWB

Les freins constituent un organe de sécurité important de tout véhicule automobile : ils permettent de réguler la vitesse, de s’arrêter et d’éviter une collision. Autrefois des mécanismes très rudimentaires et parfois dangereux (freins à sabot), le freinage hydraulique s’est imposé au vingtième siècle comme

un standard de sécurité. À l’heure actuelle, lorsqu’un le conducteur exerce un effort physique sur la pédale de freinage, cette force est transmise par un circuit hydraulique à l’huile jusqu’aux organes de freinages, soit des disques ou des tambours. Avec le temps, ces systèmes sont devenus très complexes et évolués, avec leurs canalisations, pompes, régulateurs, dispositifs d’assistance ABS et système de stabilité électronique. Mais le dogme de l’hydraulique risque de tomber au profit de l’électricité.

La révolution annoncée par Siemens

L’idée derrière la technologie de freins électriques de Siemens VDO est de supprimer toute l’hydraulique du freinage. Ainsi, avec un système de stabilité électronique, la technologie proposée permettra d’agir plus rapidement et de manière plus ciblée sur les freins. De plus, elle permettra de raccourcir les distances de freinage des véhicules, les rendant plus sécuritaires et plus efficients.

Explications À première vue, il est difficile de voir la différence avec le frein à disque traditionnel. Par contre, le frein de Siemens fonctionne très différemment. Subséquemment, je vais tenter de vulgariser la technologie, car il est très facile s’y perdre.

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Nommé EWB pour « Electronic Wedge Brake », les principes directeurs sont l’utilisation de l’électricité et de la mécanique du coin. Et oui, le fameux coin d’écartement de bois que l’on installe sous une porte pour l’empêcher de se refermer. Si vous comprenez ce principe, vous savez que plus on applique une pression sur la porte, plus la force de retenue est quintuplée par l’effet du coin et permets de la retenir plus solidement au plancher.

Pour mieux comprendre, partons du frein à disque traditionnel et enlevons toute l’hydraulique, donc plus de pistons et de conduits d’huile. À la place, on installe deux plaques (pièce 6), lisse sur un côté et avec des dents en forme de coin sur l’autre. Sur l’une des deux plaques, on y installe une plaquette de frein traditionnelle sur le côté lisse (pièce 2). Cette plaquette ira s’appuyer sur le disque pour exercer le freinage (comme le frein à disque traditionnel). Les deux plaques à coins sont face à l’autre et, dans les creux des coins, on y installe de petits galets (pièce 5).

Lorsque l’utilisateur actionne les freins, la plaquette de freinage (pièce 2) est poussée sur le disque par des moteurs électriques (pièces 3 et 4) qui exercent une pression sur les petits galets (pièce 5) disposés le long de faces inclinées en forme de coin d’écartement (pièce 6). Du fait de la

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rotation de la roue et du frottement qui en résulte, l’action du coin d’écartement est automatiquement amplifiée. Il est ainsi possible de produire une puissance de freinage élevée pour une dépense très faible en énergie.

La liaison entre les différents composants électroniques du système EWB est assurée par un bus de transmission de données en temps réel, offrant un taux de transfert de l’ordre de 10 Mb/s. Ainsi, l’architecture de freinage dispose d’une importante marge de manœuvre et permet une intervention séparée sur chaque frein dans les situations de conduite critiques.

Pour quand? L’équipementier procède actuellement à des essais sur ce protype. Selon Siemens VDO, « les organes mécaniques de cette technologie de

freinage électrique devraient être prêts pour la production en

série d’ici la fin de la décennie ». À noter que son inventeur, Bernd Gombert, a reçu la Médaille Rudolf Diesel le 13 novembre 2006 à Munich.

Lire aussi (non liés à Siemens): Disques de frein en céramique pour Audi par Le blog auto Régulateur de vitesse : Renault entendu comme témoin par Le

blog auto

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Certaines Mercedes pourront freiner toutes seules. par Le blog

auto Source: Siemens VDO, Communiqué de presse;

Par Bruno Labrie le 8 février 2007 Classé dans: Actualités Entreprise| Nouvelles technologies| Sécurité (18) |

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Rapport Système de Freinage