II. Cahier des charges

Département de Génie Mécanique 2006
A VV AA NN TT
P
PR
RO
O JJ E
ET
T N
N° 1
Motorisation convoyeur de bobines
Description rapide :
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



Proposer une ou plusieurs architecture(s) du système de
propulsion
Proposer les solutions techniques envisageables
Proposer un rapide dimensionnement en puissance des
éléments du système
Analyser la possibilité de fournir une énergie hydraulique
commune pour la fonction de propulsion et de levage
Donner un avis sur la solution qui semble convenir au mieux
I. Introduction
Le convoyeur de bobines est utilisé dans la chaîne de production, comme un moyen de
transporter de manière semi-automatique, des bobines d’aluminium depuis l’aire de stockage
jusqu’aux deux dérouleuses. Il doit s’adapter à un équipement génie civil existant et satisfaire
un cahier des charges.
Le but de cet avant projet est de réaliser une pré étude quant à la propulsion de ce
convoyeur.
II. Cahier des charges
On rappelle rapidement l’énoncé du cahier des charges concernant les performances
désirées du système de propulsion :
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







Cadences : 35 manœuvres/jour
Vitesse de déplacement : Vmax = 0.06 m/s
Fonction : déplacement le long du rail
Un des galets du convoyeur doit être directeur
Sources d’énergie possibles :
o Courant triphasé
o Pneumatique
o Autres sources autonomes
Garde au sol maximum : 400mm
Même source d’énergie pour le convoyage et le levage
Si un moteur est utilisé, il sera embarqué sur le convoyeur
Durée de vie estimée : 50000 heures (24h/24 , 7j/7)
III.Architectures réalisables
A. Architecture 1 : puissance électrique  puissance
mécanique
L’énergie utilisée est le courant triphasé au travers d’un conducteur de puissance se
B. afin de suivre le convoyeur. Elle est transformée directement en énergie
déroulant
mécanique utilisable par l’intermédiaire d’un moteur électrique puis transmise, adaptée et
enfin appliquée à la charge.
Architecture 2 : électrique  hydraulique  mécanique
L’énergie utilisée est le courant triphasé au travers d’un conducteur de puissance se
déroulant afin de suivre le convoyeur. Elle est transformée en puissance hydraulique au
travers d’une pompe hydraulique, distribuée puis transformée sous forme d’énergie
mécanique par l’intermédiaire d’un moteur hydraulique. Enfin, l’énergie est adaptée pour être
transmise à la charge.
C. Architecture 3 : pneumatique  mécanique
L’énergie utilisée est pneumatique acheminée à bord du convoyeur par l’intermédiaire
d’un flexible suivant l’engin. Le reste de l’architecture est classique.
IV. Solutions techniques envisageables
A. Définition des besoins à partir du CDCF
En utilisant ces paramètres :
Etude de la partie puissance du convoyeur - déplacement du convoyeur
Données techniques (non modifiables)
Vmax =
Masse virole =
Masse bobine =
Masse totale =
0,06
326
8644
8969
m/s
kg
kg
kg
Largeur voie =
Excentration charge =
Pression pneumatique =
Durée de vie =
1740
450
600000
50000
mm
mm
Pa
h
Paramètres conception
Coef frottement rail/roue =
Rayon roue motrice =
0,1
100 mm
réduction transmission =
couple moteur Cm =
1
110 N.m
Couple frein
44 N.m
Paramètres spatiaux des points d'appui et du centre de gravité supposé
OG
0 mm
0 mm
2000 mm
OP
-1000 mm
0 mm
0 mm
OA1 1000 mm
420 mm
0 mm
OA2
1000 mm
-1320 mm
0 mm
z
z
G
x
A1
O
A1
P
A2
O
y
On obtient :
Etude de la partie puissance du convoyeur - déplacement du convoyeur
Statique du robot
Réactions aux appuis
En A1
0
0
21997,26
En A2
N
0
0
21997,26
En P
N
0
0
43994,51
N
Effort tangentiel maxi
Ta (max) =
1099,86
N
Couple maxi transmissible
C (max) =
w (max) =
109,99
5,73
N.m
rpm
Dynamique du robot
Accélération max =
Temps vitesse désirée =
Distance parcourue =
0,164
0,367
0,012
m/s²
s
m
Décélération max =
Temps arrêt =
-0,065
0,917
m/s²
s
=
On constate qu’avec un poids total (bobine + convoyeur) estimé à 1.5  Pbobine soit
13450 kg, un coefficient de frottement entre la roue et le rail de 0.1 (acier/acier) et un rayon
de roue de 40mm, on arrive à un couple maximal transmissible de 44 Nm environ. Ceci est
une estimation faite pour un coefficient de frottement relativement faible.
En première approximation, on peut dire que le moteur doit fournir 40 Nm pour
déplacer l’ensemble avec la meilleure dynamique possible (tout en gardant une accélération
très modérée).
Au niveau du freinage (en cas d’urgence par exemple), on constate que l’on peut
stopper le convoyeur en 2.3 cm seulement en émettant l’hypothèse que le couple de freinage
est égal à la moitié du couple moteur.
La puissance motrice nécessaire est donc (en première approximation) estimée à :
V
1
1
0.06
1
P  max  Cmax 
 max  Cmax 

 40 
 75W
méca rroue
 méca 0.04
0.8
B. Architecture 1
La puissance mécanique est directement issue de la conversion de l’énergie électrique
en énergie mécanique par le biais d’un moteur électrique suivi d’un ensemble transmission
réduction.
1. Transmission
La transmission est placée directement sur l’arbre de sortie du moteur puis va vers le
réducteur. Cela se justifie par le fait que la vitesse de rotation sera plus élevée (donc un couple
faible) réduisant les dimensions de l’arbre de transmission.
Dans ce pré dimensionnement, la technologie utilisée n’a pas d’importance.
2. Réducteur
La gamme de vitesse des moteurs – frein de Leroy Somer est aux alentours de 2800
rpm – 3000 rpm contre environ 14.3 tours par minute au niveau de la roue du convoyeur.
C’est pourquoi, il est nécessaire d’utiliser un réducteur à grand rapport de réduction. En effet
2800
 195.8 ce qui représente une très grosse réduction.
14.3
Exemple : si on désirer effectuer cette réduction avec deux trains épicycloïdaux de
type I en série, il nous faut une réduction par train de 14 environ. Soit
e
  s
 14  e  s  13  s  e
 13 on retrouve la formule Willis pour un train de
s
s
type I ayant comme entrée le solaire et comme sortie le porte satellites (la couronne étant
Z
bloquée). La raison est couronne  13   . Si on se fixe 21 dents pour le solaire, on obtient 273
Z solaire
dents pour la couronne. Le diamètre extérieur de la couronne est proche de
 m Z

 3  273

2   o cour  1.25  mo   2  
 1.25  3   827mm ce qui est énorme ! Il faut donc
2
 2



envisager trois trains épicycloïdaux en série afin de réduire l’encombrement ; soit 21 dents au
solaire, 101 dents à la couronne pour un diamètre extérieur proche de 300 mm.
Toutefois, la nettement plus coûteuse gamme de moteurs à 4 pôles et la gamme des
moteurs de translation se contentent de tourner à 1400 rpm environ. Néanmoins, il serait
toujours difficile d’envisager une réduction sur deux étages de trains épicycloïdaux : Zsolaire
= 21 dents, Zcour = 187 dents, Dext = 580 mm environ !
Enfin, on peut facilement envisager une transmission par roue – vis sans fin afin
d’atteindre facilement la réduction demandée. Ex, avec un seul filet, il ne suffit que de 200
dents environ sur la roue pour obtenir un rapport de réduction de 200. Cependant, cette
solution est moins séduisante mécaniquement parlant.
3. Puissance
a) Moteurs simples
Le moteur doit développer (après réduction) 40 Nm au démarrage et offrir au
minimum 75W (critère normalement non restrictif). Cependant, en considérant une vitesse de
rotation moyenne des moteurs LS à 2000 rpm, une réduction de 143 est appliquée pour arriver
à 14 rpm ; cela ramène le couple nécessaire au démarrage à 1 Nm si on tient grossièrement
compte des rendements des éléments de transmission.
Dans le catalogue Leroy-Somer, on peut distinguer un produit intéressant :

Moteur asynchrone frein 2 pôles triphasé LS71 L – 3.5Nm – 1410 rpm
A ce moteur, il faudrait y ajouter un réducteur afin d’obtenir la vitesse de 14rpm
désirée.
b) Moto-réducteurs
Dans le catalogue Leroy-Somer on peu distinguer :




Motoréducteur roue-vis sans fin Multibloc 2100 triphasé 63 – 14rpm – 840W
Motoréducteur à planétaire Planibloc 2000 triphasé – 71 – 15.2 rpm – 250 W
Motoréducteur à engrenages hélicoïdaux Compabloc Cb1503 – 14rpm – 940W
Motoréducteur orthobloc 2000 – 71 – 14 rpm – 180W
On constate donc que la gamme de motoréducteurs Leroy-Somer est bien adaptée à
notre problématique.
C. Architecture 2
D. Architecture 3
Cette architecture ne semble pas, au premier abord, très adaptée au problème.
Toutefois, il est bon de déterminer dans quelle mesure cette solution est inadaptée.
Généralement, ces types de moteurs ont une vitesse de rotation en sortie d’arbre
relativement élevée (jusqu’à 11000 rpm par exemple) ce qui rend impossible leur utilisation.
Toutefois, on peut trouver des moteurs ayant une vitesse de sortie faible pour un couple élevé.
Exemples :



Ferry série 100 N11616 – 18.2Nm au démarrage – vitesses optimales : 55 à
245 tr/min. Avec une faible réduction de 4, il est possible d’utiliser ce moteur.
Cependant, cela nécessite une pression d’alimentation de 3 bars min et d’un
débit volumique de 3 l/s à 6 bars.
Ferry série 200 NF2242424C – 50Nm au démarrage – 12 à 50 rpm. Ce moteur
correspond exactement à nos besoins ! Il est compact et léger. Débit
nécessaire : 6l/s à 6 bars.
AtlasCopco : divers modèles : 9l/min
Au final on peut dire que la solution pneumatique est plus séduisante qu’elle ne
paraissait au premier abord. Toutefois, ce sont maintenant les exigences d’alimentation en air
comprimé qui peuvent poser problème ! En effet, il faut un minimum 3.5 l/s à 6 bars et 3 l/s à
4bars pour garantir un fonctionnement optimal. Ces paramètres sont donc à vérifier.
Néanmoins, ces moteurs ont de solides atouts :
 Compacité remarquable
 Couple au démarrage élevé
 Vitesses de rotation adaptées (ou peu de réduction nécessaire)
 Aucune interface de puissance à réaliser