Lampe dynamo à pression poignet avec un système de rochet

Lampe
dynamo à
pression
poignet avec
un système
de rochet
Rapport de CAO
Benjamin SALAUN-PENQUER - Fatima LAGMOUCH
2010 - 2011
Lampe dynamo à pression poignet avec un système de rochet
2010 - 2011
Remerciements :
Nous tenons à remercier l’équipe pédagogique composée de M.
Barthélemy ZOZ, M. Hakim BOUDAHOUD, M. Patrick TRUCHOT, pour
avoir assuré la partie théorique et pratique de la formation C.A.O.
Lampe dynamo à pression poignet avec un système de rochet
2010 - 2011
SOMMAIRE
Introduction
I. Contexte
p.3
p.4
a. Historique
b. Brevet
c. Rôle du produit
II. Description et étude du système
p.6
a. Les différents composants du système
b. Le fonctionnement
c. Etude et mesure d’élément du système
III. Solidworks
p.12
Conclusion
p.15
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2010 - 2011
INTRODUCTION
Aujourd’hui un ingénieur doit être capable de comprendre et de mettre en place un
système technique (composé d’un ensemble de différentes fonctions) pour répondre à un
besoin, une demande…Il doit donc comprendre les différentes interactions, contraintes et
incompatibilité des fonctions qui composent le système.
La CAO ou conception assistée par ordinateur permet de concevoir des systèmes
très complexe dans différents domaines comme la mécanique, l’électronique, l’architecture
ou la chimie. La CAO présente un avantage en conception puisqu’il permet de prévoir le
comportement d’un système (complexe ou non) avant même qu’il n’existe et de le faire
évoluer virtuellement. On peut dire que la CAO est aujourd’hui présente et même
indispensable dans de nombreux domaines puisqu’il est très rapide de représentée des
systèmes avec des logiciels de CAO et que cela permet à de nombreuses entreprises de
rester très compétitives.
Cette année nous avons disposé de quelques semaines pour s’initier ou se
perfectionner à l’utilisation d’un logiciel de CAO, Solid Works et pour avoir une première
approche de ce qu’est la conception d’objet (mécanique).
Avec mon binôme nous avons choisi une Lampe dynamo à pression poignet avec un
système de rochet. Nous avons choisi cet objet car il correspondait aux critères que nous
nous étions fixés :
-
un système mécanique suffisamment complexe pour être validé par le corps enseignant
-
un objet correspondant à notre niveau de maîtrise du logiciel
-
un objet qui nous intéressé tous les deux
-
un objet dont le prix ne dépasse pas 6 €
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I. CONTEXTE
a. Historique
Le principe de la dynamo a été découvert par Michael Faraday au XIX siècle.
La dynamo repose sur la création d’un courant induit dans un circuit fermé à l’aide d’un
aimant. Faraday montra qu’il était possible d’induire un courant en déplaçant le conducteur
électrique alors que la source magnétique reste fixe.
disque conducteur tournant dans un
champ magnétique
PRINCIPE DU DISQUE DYNAMO DE
FARADAY : un disque conducteur tournant
dans un champ magnétique (voir dessin), est
entraîné par une courroie et une poulie. Le
circuit électrique était ensuite refermé par des
contacts fixes (balais) frottant le disque sur sa
jante et sur son axe. Ce n’est pas une
conception très pratique d’une dynamo (à
moins que l’on cherche à générer de grands
courants à basse tension).
Fonctionnement d’une dynamo : C’est un appareil électrique qui, en absorbant de l’énergie
mécanique, produit un courant pulsateur que l’on peut considérer comme continu et dont la
tension dépend de la vitesse de rotation. La production de courant se fait par une bobine
tournante dans un champ magnétique d’un aimant. Le courant fourni étant alternatif, il doit
être redressé pour être utilisé, cette opération est réalisée par les balais, appelés charbons.
D’autres chercheurs comme Zennode Gramme ou Thomas Edison ont repris et
amélioré l’idée de Faraday. D’ailleurs le Belge Zenode Gramme déposera un brevet en 1871
D’abord utilisé à l’échelle industrielle comme source d’alimentation à de grand four,
son utilisation s’est étendue au domaine de l’urbanisme. Ces installations étant très
encombrantes son utilisation s’est vu réduite laissant place à d’autre source d’énergie plus
performantes et moins encombrantes.
Aujourd’hui on utilise le système de dynamo pour des applications nécessitant un
faible voltage comme les radios, les lampes de poche….. Son utilisation la plus courante est
sur les vélos.
Dans le contexte écologique actuel, de nouveaux appareils ont fait leur apparition,
proposant une alternative aux systèmes à piles, mais en restant dans le domaine du
« gadget ». De nos jours, la dynamo représente davantage un atout marketing qu’une
application essentielle. Toutefois, le principe de rotation introduit par la dynamo est encore
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utilisé à grande échelle dans les station hydroélectrique où la force développée par l’eau met
en mouvement des turbines de grandes tailles et dans les centrales thermique où la roue est
entraîné par les vapeurs produite par la combustion des carburants.
b. Rôle du produit
Une lampe dynamo converti l’énergie musculaire de son utilisateur pour générer de la
lumière. La lampe de poche dynamo est un produit qui est réputé pour être toujours prêt à
l’emploi et fiable : jamais en panne car pas de piles usées. L’absence de consommables
jetables donne à ce produit un caractère écologique.
Il existe de nombreux modèles de lampe dynamo. Les moins sophistiqués utilisent une
ampoule et ne stockent pas l’énergie électrique produite musculairement.
Les modèles les plus performants, comme celui que nous avons choisi utilisent des leds et
comportent une réserve d’éclairage par stockage de l’énergie produite.
La lampe de poche dynamo répond à de nombreux besoin dont :
- trouver une alternative écologique à l’utilisation de pile
- trouver une alternative au manque d’énergie en cas de besoin
- être facilement transportable.
Expression fonctionnelle du besoin :
FP1 éclairer l’environnement proche
en autonomie énergétique
FC1 être esthétique
FC2 être facile à ranger et à
transporter
FC3 résister à l’ambiance extérieur
c. Brevet
Le premier brevet sur le système de la dynamo fut déposé par l’inventeur de la
« machine à courant continu » M. Zénode Gramme en 1871.
Nous avons saisi plusieurs mots clé sur le site www.espacenet.com mais beaucoup ne
correspondaient pas au produit étudié.
-
Pour le mot clé DYNAMO nous avons obtenu 1032 résultats dont beaucoup été
erroné ce qui nous montre qu’il faut être plus précis dans notre recherche.
Pour les mots clés DYNAMO + LAMPE nous avons obtenu 11 résultats entre 1981
et 2007. Notre recherche est plus fine mais aucun résultat ne correspond à notre
produit.
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-
Enfin pour les mots clés DYNAMO + LED nous avons obtenu 5 résultats entre 1996
et 2009 dont aucun ne correspondaient à notre recherche.
Nous avons étendu notre recherche aux brevets mondiaux et avons trouvé le brevet
correspondant à notre objet dont Liu Shiquan est l’inventeur (cf. annexe).
II. DESCRIPTION ET ETUDE DU
SYSTEME
a. Les différents composants du système
Roue à rochet et
son système à
cliquet.
Pression
poignet
Grand
engrenage
Coques
Aimant
Système
permettant
de maintenir
la bobine en
place
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La pression sur la poignée crée un
mouvement de translation qui grâce à un
arc d’engrange compris dans celle-ci
entraine le grand engrenage.
Le grand engrenage entraine le système
à cliquet qui actionne à son tour la roue
à rochet.
Le phénomène d’inertie entraine l’amant
situé sous la roue à rochet (l’aimant
reste immobile)
Un champ magnétique est alors crée. Le
courant induit aliment ensuite grâce à un
système électrique un accumulateur
d’énergie.
L’interrupteur sue le coté de la lampe
permet d’allumer les leds
b. Le fonctionnement
Etude du phénomène dynamométrique
La lampe que nous avons étudiée possède
une dynamo composée par un aimant mobile placé
dans une bobine immobile. Tant que l’aimant est
immobile, il n’y a pas de courant. Quand on
approche l'aimant de la bobine, on modifie la valeur
du champ magnétique à l'intérieur de la bobine,
donc le flux. L'aimant produit toujours le même
nombre de lignes de champ, mais c'est le nombre
de lignes de champ qui pénètrent dans la bobine
qui varie à cause du mouvement. Ce courant induit
est alors récupérable et utilisable. Notons que plus
l’aimant tourne vite et plus le courant induit permet un voltage important.
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Roue à rochet
La roue à rochet est un dispositif anti-retour limitant un
mécanisme rotatif à tourner dans un seul sens. Cette roue est
munie sur tout son pourtour d’encoches provoquant dans le
sens voulu le soulèvement d’un cliquet et empêchant la
rotation dans le sens contraire.
Notre dispositif ne possède pas à proprement parler de
roue à rochet mais d’en système en quelques points similaires.
Le principe est d’entraîner une roue suivant un sens de
rotation donné et de la laisser tourner dans ce même sens
lorsque la rotation des engrenages
annexes change. Grâce à ce système, la roue contenant
l’aimant continue de tourner lorsque la pression manuelle est achevée, contrairement aux
engrenages annexes, ce qui représente un gain d’efficacité relatif aux tours supplémentaires
de la roue.
Volant d’inertie
L’avantage amené par la roue à rochet est conforté par un volant d’inertie induit par
la présence de l’aimant. La masse de ce dernier, répartie autour de l’axe de rotation confère
à l’ensemble une plus grande inertie en rotation et permet de faire durer plus longtemps le
mouvement avec plus de régularité. Malgré la nécessité d’une pression plus importante, le
gain en nombre de tour et donc en électricité fournis n’est pas négligeable et permet
d’optimiser le rendement.
Etude des matériaux
Tout le dispositif d’engrenage jusqu’à la roue à rochet qui fait tourner la bobine,
est formé de plastique. Nous supposons que le choix de ce matériau est du à son faible coût,
sa légèreté et pour sa rigidité. Cela est nécessaire pour ce type de produit dédié à tout type
de consommateur dans un cadre d’utilisation de « loisir ». Cette lampe n’étant pas un objet
haut de gamme pour professionnel, son rapport qualité/prix doit être le plus rentable possible.
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c. Etude et mesure d’élément du système
VITESSE DE LA POIGNEE A PRESSION
On considère le solide indéformable et tangent au disque
Ce qui nous intéresse c’est sa course en fin de parcours or sa durée de parcours est
inférieur à 1 seconde on considère alors que la vitesse moyenne est égale à la vitesse en fin
de parcours
Nous avons fait une estimation de cette vitesse v=d/t d= 1 cm et t = 0.2 s donc v = 20 cm.s
Puis à partir du rapport de transmission r= D roue menante /D roue menée = Z roue menante
/ Z roue menée
D roue menante / D roue menée = 4(cm)/0.7(cm) = 5.714
Z roue menante / Z roue menée = 12/84=7
Cette différence de résultat est dû on pense à la règle utilisée pour effectuer la mesure qui
est une règle standard non transparente nous aurions dû utilisé un pied à coulisse. Mais la
différent est également dû à l’appréciation du lecteur mais elle est seulement de l’ordre du
millimètre
Etant donné que le mesure du nombre de dents est plus précise nous garderons ce calcul
pour le facteur de transmission.
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La vitesse de l’aimant est donc de 20 cm.s * 7 = 140 cm.s = 140 * 10-3 m.s = 0.14m .s
On pourrait faire cette mesure d’autre façon :
-
En fixant une ficelle a l’aimant et mesurer son parcours lors d’une pression sur le
poignée pour obtenir directement la vitesse de l’aimant
-
En filmant le mouvement et en décomposant en un série d’image pour avoir une
durée et une distance plus précises
-
En posant des capteurs sur le système
-
Avec un stroboscope à fréquence variable l’orque la pièce nous semble immobile on
relève la fréquence du stroboscope et en déduit la vitesse de la pièce.
ENERGIE COMSOMMEE PAR LA LED
Pour une lampe dynamo dont les composant sont les suivants :
-le moteur : mabachi FA 130 ra (14150) a 3v 3,1A et un output de 0,35W
- un accumulateur ni mH de capacité 2500 mAh, qui fournir une tension de 1,2V
- une LED de 22000 Mcd fonctionnant sur du 3V et 20mA
Determinons l'energie qu’il faut fournir fournir pour remplir l’accumulateur, et le temps de
charge de celui ci.
Il s’agir définir la relation entre le nombre de pression effectué sur la poigné et le temps
d'éclairage
Experrimentalement nous avons trouvé que pour 1mn d'énergie mécanique on obtient 20mn
d'énergie lumineuse.
la LED a consomée pendant 20mn est
W consommé = P led . t = U led . I led.t = 3,0 x 0,02 x 20 x 60 = 72 Joules
Or notre moteur nous fournit au max 0,35W, donc en 1mn il fournit une énergie de 21 Joules.
L’incohérence dans notre calcul vient certainement du fait que l’on tient pas compte du
courant induit.
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AMALYSE FONCTIONNELLE DU PRODUIT :
TRANSFORMATION D’ENERGIE MECANIQUE EN ENERGIE ELECTRIQUE :
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III. MODELISATION SUR SOLIDWORKS
Choix effectués : modélisation à l’échelle 1 car objet de bonne taille pour le
prototypage.
Certaines pièces n’ont pas été modélisées comme le système
électrique ou de de petit ressort.
Problème rencontrés
: la réalisation de certaines pièces comme la poignée a été un
peu complexe.
De même que l’assemblage puisque nous avons réalisé les
pièces à deux, et que parfois cela impliquait de reprendre les pieces à causes des
approximations faites.
Explication de la réalisation de la coque face 1 :
1-Dessin de la forme approximative de la coque,
puis mise en place des cotations nécessaires.
Pour la hauteur totale de la coque j’ai tracé un
trait du milieu de la spline supérieure au milieu
de la partie basse du cercle inférieur. Puis j’ai
coté ce trait et je me suis m’assué que hauteur
était comprise en 100 et 110 mm
Utilisation des fonctions : trait, cercle, spline,
ajuster les entités -> ajuster au plus proche,
cotation (verticale, horizontale).
Aperçu de l’esquisse
Puis j’ai extrudé la pièce sur une épaisseur de 10.4 mm.
J’ai ainsi un format brut, utilisant après la fonction coque
d’épaisseur 1mm nous obtenons ceci :
Après divers traitements nous rendons notre pièce le plus
proche possible de l’original :
Fonctions utilisées : congé, dôme (réglage 5,
sans continuité), couleur transparente bleu, apparence
plastique
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Ensuite il faut mettre en place toutes les caractéristiques de la pièce, soit tous les
petits détails propres de celle-ci :
Détails de l’opération : 1. Dessiner l’esquisse
2. Extruder ou Enlèvement de
matière.
Fonctions utilisés : extruder, enlèvement de
matière, congé.
La partie qui nous a posé particulièrement problème
est l’enlèvement de matière au niveau d’une surface
courbe. Après moult essais infructueux, nous avons fini
par trouver l’astuce suivante : Créer un plan sur une
des faces comme ceci :
Puis dessiner l’esquisse et enfin appliquer la fonction
enlèvement de matière :
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Finalement en répétant ce processus nous obtenons au final la pièce virtuelle de la
coque face 1 :
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Conclusion
Nous avons ainsi eu l'occasion d'étudier un objet connu de beaucoup de
monde mais aussi dont on ne s’était pas réellement posé de question sur le
fonctionnement.
La CAO a été une nouvelle expérience de travail en équipe, le fait d’avoir
choisi ensemble notre objet d’étude nous a d’avantage motivé à nous investir dans
un projet commun.
Les cours de C.A.O, outre faire l’étude d'un objet qui nous intéressait, ont été
très profitables aussi bien d'un point de vue technique que pratique. Nous avons
réalisé en parallèle l’étude du fonctionnement de notre système et la modélisation de
celui-ci. La modélisation nous a donné l'occasion d'utiliser le logiciel SolidWorks et
d’avoir un approche des domaines de conception et modélisation.
A la fin des séances C.A.O, nous avons réussi à obtenir un résultat
satisfaisant en ce qui concerne la modélisation de la lampe mais aussi la
compréhension du système. Nous avons donc acquis de
nombreuses connaissances que nous sommes désormais capables de mettre en
pratique.
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Bibliographie et Ressources
Sites internet :
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http://fr.wikipedia.org/wiki/
http://dynamoderne.110mb.com/histoire.htm
http://v3.espacenet.com/
http://www.ac-nancymetz.fr/enseign/physique/nouvprog/prem_l/docs/enjeux_planet/Prod-energieelec-CH.pdf
http://www.geopedia.fr/histoire-eclairage.htm
http://www.palais-decouverte.fr/index.php?id=395&L=0
http://www.btscim-morteau.com/IMG/pdf/dcp-lamp.pdf
Logiciels :

Logiciel SolidWorks et Photo Works.
Références bibliographiques :


Cours de C.A.O
Rapport de cao ; BROIN Sébastien, GALAS Jean-Baptiste, RHOUM
Jordan La lampe dynamométrique à pression poignet, 2010