Lycée Jacques PREVERT
Transcription
Lycée Jacques PREVERT
BACCALAUREAT SCIENTIFIQUE OPTION SCIENCES DE L’INGENIEUR PROJET PLURITECHNIQUE CANNE DE RANDONNEE ECLAIRANTE AUTORECHARGEABLE CAHIER DES CHARGES Session 2013 / 2014 Lycée Jacques PREVERT Dossier cahier des charges canne de randonnée autoéclairante page 1/16 CONCEPTION PRELIMINAIRE 1. PRESENTATION GENERALE DU PROJET Contexte général du produit et énoncé du besoin La randonnée pédestre est une activité de loisir de plus en plus pratiqué, notamment par les retraités. Pour améliorer leur confort lors des randonnées, des cannes de randonnée sont proposées sur le marché, dont certaines équipées d’un système éclairage intégré alimenté par piles, permettant de débuter la randonnée de nuit. Dans le contexte actuel de développement durable, il devient nécessaire de limiter la consommation de piles qui sont des composants fortement polluants et difficiles à recycler. Poignée de canne de randonnée avec système d’éclairage intégré orientable On se propose ici de développer une canne de randonnée éclairante dont la source d’énergie du système d’éclairage se recharge lors de l’utilisation de la canne. 2. L’ENONCE DU BESOIN (UTILISATION DE LA METHODE APTE) L’objectif de l’analyse du besoin est de valider l’émergence du besoin né d’idées, de perceptions du marché ou d’insatisfactions client, en passant par les phases d’expression et de validation. 2.1. Expression du besoin A qui (à quoi) le produit rend-il service ? Randonneur dans des conditions nocturnes Sur qui (sur quoi) le produit agit-il? Produit Confort du randonneur CANNE DE RANDONNEE ECLAIRANTE Créer un point d’appui et éclairer le chemin Dans quel but ? Dans quel but le produit existe-t-il ? Dossier cahier des charges canne de randonnée autoéclairante page 2/16 CONCEPTION PRELIMINAIRE 2.2. Validation du besoin Il s’agit d’un questionnaire destiné à valider l’existence du besoin : - en exprimant le but et les raisons qui lui ont donné naissance, - en recherchant les cas d’évolution ou de disparition susceptibles de rendre le besoin obsolète. Pourquoi ce besoin existe-t-il ? (causes, origines, …) - Pour les randonnées de nuit une lampe est nécessaire. La canne éclairante permet d’éclairer le parcours du marcheur. Les piles et accumulateurs sont chers et peu écologiques. Une canne autorechargeable s’avère très pratique car aucune énergie autonome de type chimique n’est utilisée.age portatif. Pour quoi ce besoin existe-t-il ? (dans quel but, finalités, …) -- Pour faciliter la marche du randonneur. Pour éclairer le parcours du randonneur. Pour avoir un produit qui intègre la canne et la lampe. Pour avoir une canne a énergie autonome qui se recharge seule grâce aux mouvements du randonneur. Parce qu’il est nécessaire de concevoir des cannes de randonnée high-tech relativement concurrentielles pour équiper le grand public. Qu’est ce qui pourrait faire évoluer ou disparaître ce besoin ? - Ce besoin ne peut disparaître pour l’instant car la randonnée est une discipline très pratiquée à l’heure actuelle. Les cannes de randonnée sont très utilisées, et de plus en plus les cannes éclairantes pour les parcours de nuit. demandant un recyclage total des produits. es serrures à clés traditionnelles au profit … Quelle est la probabilité de l’évolution ou de la disparition du besoin ? ables d’actualité mais une tendance se profile vers l’utilisation d’énergie propre. ( - Peu probable - Ceci n’est pas d’actualité. - Pas d’évolution a court terme. - Pas de disparition du besoin.es à clés traditionnels. Conclusion sur la validité du besoin ? à moyen terme. - Le besoin est validé à moyen terme. Dossier cahier des charges canne de randonnée autoéclairante page 3/16 CONCEPTION PRELIMINAIRE 3. EXPRESSION FONCTIONNELLE DU BESOIN 3.1. Identification des fonctions de service Définition de la liste exhaustive des éléments (personnes, équipements, matières, etc) et contraintes qui constituent l’environnement du produit au cours de sa vie en situation d’agir sur lui ou de subir ses actions. Chemin de randonnée Obscurité Randonneur FP2 FC1 FP1 Energie Canne de randonnée FC2 FC3 FC5 FC6 Etre esthétique FC4 Milieu ambiant Sol Normes et réglementations Graphe des interactions (APTE®) : Phase d’utilisation Fonctions principales FP1 : Permettre à l’utilisateur de prendre un appui supplémentaire FP2 : Eclairer le chemin de randonnée Fonctions complémentaires et contraintes FC1 : Etre ergonomique dans son utilisation FC2 : Etre autonome en énergie FC3 : Résister au milieu ambiant FC4 : Résister à une chute sur le sol FC5 : Respecter les normes et réglementations FC6 : Etre esthétique Dossier cahier des charges canne de randonnée autoéclairante page 4/16 CONCEPTION PRELIMINAIRE 3.2. Phases de fin de vie et d’élimination du produit Triage FC8 Canne de randonnée FC9 FC10 Démontage Recyclage Graphe des interactions (APTE®) : Phases de fin de vie et d’élimination Fonctions complémentaires et contraintes FC8 : Faciliter le démontage des pièces FC9 : Faciliter le tri des pièces FC10 : Etre recyclable Dossier cahier des charges canne de randonnée autoéclairante page 5/16 CONCEPTION PRELIMINAIRE 4. CARACTERISATION DES FONCTIONS DE SERVICE Ci-dessous est présentée sous forme de tableau la caractérisation des fonctions de services : critères, niveaux et flexibilité, restreint aux composantes de limite d’acceptation et classe de flexibilité (taux d’échange non présenté). Fonctions de service FP1 : Permettre à l’utilisateur de prendre un appui supplémentaire Critères FC2 : Etre autonome en énergie Flexibilité Limite Classe d’acceptation Effort 500N mini f3 Intensité lumineuse 8000 mca f3 Réglable f0 Plage de réglage De 0° à -90° +/-5° f3 poids 500g maxi f3 Hauteur réglable : - Hauteur minimale : - Hauteur maximale : 0,65 mètre 1,35 mètre maxi mini f0 f0 Nature de la source d’énergie Rechargeable f0 Rechargement de la source d’énergie Lors de l’utilisation de la canne (marche) f0 Autonomie hors utilisation (hors marche) 2 heures mini f3 FP2 : Eclairer le chemin de Orientation du faisceau randonnée FC1 : Etre ergonomique dans son utilisation Niveaux Dossier cahier des charges canne de randonnée autoéclairante page 6/16 CONCEPTION PRELIMINAIRE Fonctions de service Critères Moyen maxi f0 Luminosité 1500 lux mini f0 100% mini f0 de -20° à +60° mini f1 Taux de poussière Faible f0 Indice de protection IP57 f0 Hauteur de chute 1m mini f1 Matière sol Béton f1 f0 f0 Formes f3 Coloris f3 FC5 : Respecter les normes et réglementations FC6 : Etre esthétique FC7 : Faciliter le démontage des pièces FC8 : Faciliter le tri des pièces FC9 : Etre recyclable Flexibilité Limite Classe d’acceptation Rayonnement UV FC3 : Taux hygrométrique Résister au milieu Température ambiant FC4 : Résister à une chute sur le sol Niveaux Démontage Manuel sans ou avec outillage standard f1 Identification des matériaux utilisés visuel f0 Taux de recyclage maximal f0 Critères économiques Ci-dessous sont présentés les critères économiques relatifs à la canne de randonnée à développer : - Prix de vente envisagé : 45 € - Série : 10000/an sur 3 ans Dossier cahier des charges canne de randonnée autoéclairante page 7/16 CONCEPTION PRELIMINAIRE Critères d’appréciations : caractère retenu pour apprécier la manière dont une fonction est remplie ou une contrainte respectée Niveaux d’appréciations : grandeur repérée sur une échelle adoptée pour un critère d'appréciation d'une fonction Flexibilité : ensemble d'indications exprimées par le demandeur sur les possibilités de moduler le niveau recherché pour un critère d'appréciation ; Classe de flexibilité : indication littérale placée auprès d'un niveau d'un critère d'appréciation, permettant de préciser son degré de négociabilité ou d'impérativité ; Limites d'acceptation : niveau de critère d'appréciation au-delà duquel le besoin est jugé non satisfait. Dossier cahier des charges canne de randonnée autoéclairante page 8/16 CONCEPTION PRELIMINAIRE 5. ARCHITECTURE FONCTIONNELLE DE LA CANNE DE RANDONNEE Ce schéma bloc fonctionnel présente la structure de la chaîne d’action retenue la canne de randonnée qui se limite à une chaîne d’énergie. Chemin sombre Ordre utilisateur Energie mécanique Convertir l’énergie mécanique en énergie électrique Alimenter en énergie électrique Distribuer l’énergie électrique Convertir l’énergie électrique en énergie lumineuse Génératrice de courant continu Accumulateur Interrupteur Diode électroluminescente Eclairer le chemin devant l’utilisateur Chaîne d’énergie Chemin éclairé 6. PRINCIPES DE SOLUTIONS POUR LA FONCTION « CONVERTIR L’ENERGIE MECANIQUE EN ENERGIE ELECTRIQUE » Cette partie se limite à présenter des principes de solutions envisagés relatifs à la fonction « Convertir l’énergie mécanique en énergie électrique ». Le diagramme ci-dessous présente les grands principes de solutions envisagés pour cette fonction. A partir d’un mouvement relatif de translation entre un aimant et une bobine Convertir l’énergie mécanique en énergie électrique A partir d’un mouvement relatif de rotation entre un aimant et une bobine Oscillateur « masse (aimant) – ressort » Utilisation du contact à vitesse non nulle pour animer un aimant en mouvement de translation alternatif Bobine fixe placée dans un champ magnétique variable Utilisation du mouvement relatif de translation entre l’aimant et la bobine pour créer un courant dans la bobine (courant alternatif) Pont de diodes Utilisation d’un pont de diodes pour redresser le courant Coulisseau en mouvement de translation Utilisation d’un coulisseau guidé en translation à l’intérieur de la canne et coulissant lors du contact entre la canne et le sol Système pignon crémaillère Transformation du mouvement de translation en mouvement de rotation Multiplicateur et entraîneur unidirectionnel Multiplicateur de vitesse et entraîneur unidirectionnel permettant au mouvement de continuer une fois le coulisseau en butée Bobine en rotation placée dans un champ magnétique fixe Génération d’un courant continu à partir de du principe d’une génératrice à courant continu Dossier cahier des charges canne de randonnée autoéclairante page 9/16 CONCEPTION PRELIMINAIRE 7. PRINCIPE DE SOLUTION RETENU Une comparaison, non présentée ici, à partir de critères a conduit à privilégier l’utilisation d’un mouvement relatif de translation entre un aimant et une bobine Le principe de solution retenu est l’utilisation d’un mouvement relatif de translation entre un aimant et une bobine Ressort Allure de la tension aux bornes de la bobine Allure de la tension aux bornes du pont Aimant Bobine Pont de diodes Seuil de charge de l’accumulateur Vitesse de la canne Sol Principe de conversion retenu (représentation à l’instant de contact) 8. CARACTERISTIQUES DE LA GENERATRICE DE COURANT La réalisation d’une maquette de principe (déplacement alternatif d’un aimant dans une bobine) a permis de valider la faisabilité du produit. Cependant, il convient de dimensionner les composants afin de garantir une z meilleure efficacité de l’ensemble. Paramètres de dimensionnement Raideur k Ressort Masse M Moment dipolaire μ Nombre de spires N Surface S Aimant Distance aimant/bobine H Bobine Force électromotrice E Vitesse de la canne V Sol Paramètres de dimensionnement (représentation à l’instant de contact) Dossier cahier des charges canne de randonnée autoéclairante page 10/16 CONCEPTION PRELIMINAIRE 8.1. Relations fondamentales k Oscillateur masse/ressort : z .z 0 avec z(t 0) V et z(t 0) H m Champ magnétique produit par un aimant le long de son axe à la distance z : B K . z3 Flux dans la bobine : N.S.B Force électromotrice induite dans la bobine : E (t ) Relation tension/courant : U L. Inductance d’une bobine : L 8.2. di R.i dt d dt (modèle inductance + résistance en série) 0 .N 2 .S l Dimensionnement des composants de la génératrice de courant Valeurs de tension et de courant nécessaires en sortie de génératrice pour assurer la charge de l’accumulateur ? 9. PRINCIPE DE SOLUTION RETENU POUR LA FONCTION « CONVERTIR L’ENERGIE MECANIQUE EN ENERGIE ELECTRIQUE Le principe de solution retenu est l’utilisation d’un mouvement relatif de translation entre un aimant et une bobine Ressort Allure de la tension aux bornes de la bobine Allure de la tension aux bornes du pont Aimant Bobine Pont de diodes Seuil de charge de l’accumulateur Vitesse de la canne Sol Principe de conversion retenu (représentation à l’instant de contact) Dossier cahier des charges canne de randonnée autoéclairante page 11/16 CONCEPTION PRELIMINAIRE 10. DESCRIPTION DU PRODUIT Organisation fonctionnelle du produit FAST de description du produit à compléter FP1 Permettre à l’utilisateur de prendre un appui supplémentaire FT1 Mettre en contact indirect la main de l’utilisateur et le sol Note : Déterminer la solution permettant de lier la poignée éclairante au bâton. Elève 1 Elève 2 Elève 3 Elève 4 FP2 Eclairer le chemin de randonnée FT2 Alimenter en énergie électrique Note : Déterminer le type de composant et ses caractéristiques (accumulateur, super condensateur…) Elève 1 Elève 2 Elève 3 Elève 4 FT3 Distribuer l’énergie électrique Note : Déterminer le type de composant et ses caractéristiques (interrupteur, bouton poussoir…) Elève 1 Elève 2 Elève 3 Elève 4 Note : Déterminer le type de composant et ses caractéristiques (Leds, ampoules… ) Elève 1 Elève 2 Elève 3 Elève 4 Elève 1 Elève 2 Elève 3 Elève 4 FT4 Convertir l’énergie électrique en énergie lumineuse FC1 Etre ergonomique dans son utilisation FT5 Limiter le poids de la canne de randonnée Note : Déterminer la géométrie de la poignée et les matériaux la composant… FT6 Adapter la hauteur de la canne à l’utilisateur Note : La canne vendue dans le commerce a une hauteur réglable. FC2 Etre autonome en énergie FT7 Utiliser une source d’énergie rechargeable Note : Déterminer le type de composant et ses caractéristiques (accumulateur, super condensateur…) FT8 Recharger la source d’énergie Note : Déterminer la génératrice courant continu qui rechargera la source d’énergie. Mettre en place un protocole d’essais. Dossier cahier des charges canne de randonnée autoéclairante Elève 1 Elève 2 Elève 3 Elève 4 Elève 1 Elève 2 Elève 3 Elève 4 page 12/16 CONCEPTION PRELIMINAIRE FC3 Résister au milieu ambiant FT9 Assurer l’étanchéité Note : Déterminer la forme du boîtier de la poignée et les solutions techniques adaptées pour qu’il soit étanche. FT10 Résister à la température Note : Déterminer les matériaux et les composants pour que la poignée supporte les critères imposés par cette fonction. FT11 Résister au rayonnement UV Note : Déterminer les matériaux pour que la poignée résiste au rayonnement UV. Elève 1 Elève 2 Elève 3 Elève 4 Elève 1 Elève 2 Elève 3 Elève 4 Elève 1 Elève 2 Elève 3 Elève 4 FC3 Résister a une chute sur le sol FT5 Garantir l’intégrité des éléments en cas de choc. Note : Déterminer des assemblages adaptés pour que la poignée résiste à une chute sur le sol. Dossier cahier des charges canne de randonnée autoéclairante Elève 1 Elève 2 Elève 3 page 13/16 Elève 4 CONCEPTION PRELIMINAIRE 11. CARACTERISTIQUES DU CIRCUIT ELECTRONIQUE PERMETTANT LE REDRESSEMENT - Schéma structurel du circuit électronique - Phase d’expérimentation - Nomenclature - réalisation Dossier cahier des charges canne de randonnée autoéclairante page 14/16 RESSOURCES 12. INDICE DE PROTECTION Indice de protection (degré de protection), c’est le degré de protection qui caractérise l’aptitude d’un matériel à supporter les deux influence externes suivantes : pénétration de corps solides et protection des personnes pénétration de l’eau L’IP comporte 2 chiffres relatifs respectivement à ces deux influences externes. Il est attribué au matériel à la suite d’une série d’essais définis par la norme NF EN 60.529. Le degré de protection IP doit toujours être lu et compris chiffre par chiffre et non globalement. Au plan français, un troisième chiffre, facultatif, peut être mentionné par le fabricant (Norme NF C 20-010.) Une lettre optionnelle peut compléter les deux chiffres de l’IP. Elle indique l’aptitude de l’enveloppe à protéger les personnes contre l’accès aux parties dangereuses. Dossier cahier des charges canne de randonnée autoéclairante page 15/16 RESSOURCES Code IK : protection contre les chocs mécaniques (NF EN 50-102) Lettre additionnelle, (option) protection des personnes contre les accès aux parties dangereuses. Lettre supplémentaire (option) information spécifique. 13. NORMES ELECTRIQUES Les matériels ou appareils électriques doivent être conformes à la Norme internationale IEC international standard et aux normes particulières qui les concernent. Il est rappelé que les marques ou certificats de conformité constituent des présomptions de conformité à la réglementation. la Norme internationale IEC ( CEI ) international standard Commission Electrotechnique Internationale International Electrotechnical Commission Le système IEC est constitué d’une norme générique et de normes filles par secteur d’activité. Exemples extraits de la norme : IEC 60598-2-10 : Luminaires portatifs pour enfants IEC 61 215 : Modules photovoltaïques pour application terrestre IEC 60 840 : Câbles d'énergie à isolation extrudée IEC 60 601 : Matériel équipement électrique IEC 60603-7-7: Connecteurs Dossier cahier des charges canne de randonnée autoéclairante page 16/16