Le Gyrobus refait surface Olivier Tardif-Paradis Alexandre
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Le Gyrobus refait surface
Contexte
Dans un monde où l’épuisement des ressources planétaires, tant énergétiques que matérielles, est bien
réel, le développement durable du transport des personnes passe par des transports en commun
beaucoup plus développés qu’aujourd’hui. Les véhicules tout électriques sont idéaux pour la qualité de
vie, car ils n’émettent pas de pollution et ne font que peu de bruit. Déjà, les métros, les tramways et les
trolleybus
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sont en fonction dans plusieurs villes, mais les autobus à essence demeurent une
composante très importante des transports en commun urbains.
L’idéal serait un véhicule libre de son itinéraire, silencieux, sans odeur et qui aurait recours à
l’hydroélectricité québécoise plutôt qu’au pétrole que l’on doit importer à grands frais. Or, l’histoire nous
donne une leçon, car il y a plus d’un demi-siècle, on avait déjà inventé un tel autobus. En 1950, dans la
ville de Yverdon en Suisse, on a mis en service un autobus entièrement électrique, appelé Gyrobus par la
compagnie Oerlikon (gyro signifie « cercle » en grec). Contrairement au tramway ou au trolleybus, le
Gyrobus n’avait pas besoin de lignes de contact ni de rails, et, pourtant, ce véhicule roulait à l’électricité
et n’utilisait pas de batterie. Pour emmagasiner l’énergie et ainsi lui conférer une certaine autonomie, on
utilisait un volant d’inertie mis en rotation rapide. Un volant d’inertie est un objet, à l’intérieur du Gyrobus,
que l’on fait tourner à très haute vitesse angulaire : on emmagasine ainsi de l’énergie sous forme
d’énergie cinétique de rotation, laquelle peut ensuite être utilisée pour mettre en mouvement le véhicule.
Avec ce projet novateur, qui a attiré des curieux du monde entier, on se permettait de rêver de
s’affranchir du carburant fossile. Trois ans plus tard, après des débuts enthousiastes, l’optimisme initial
s’est éteint, et, ce, pour plusieurs raisons : l’itinéraire était contesté à cause d’un manque d’autonomie, le
temps d’attente aux arrêts pour recharger le volant était trop long et le risque d’être à court d’énergie
entre les stations lors de bouchons de circulation était trop grand.
En s’inspirant des idées du passé et en évitant les erreurs déjà commises, on vous demande de réaliser
une étude de faisabilité dans le but d’évaluer la viabilité d’un projet d’autobus de type « Gyrobus » pour la
Ville de Québec.
Sur la figure 1 ci-dessus, on a représenté un autobus de type Gyrobus immobilisé et relié à la station de
recharge. Pour obtenir une puissance de traction à partir du volant d’inertie, une machine électrique,
pouvant fonctionner en mode moteur ou en mode générateur, convertit l’énergie cinétique en énergie
électrique (mode générateur) qui alimente ensuite une autre machine électrique, cette fois-ci connectée
sur les roues du Gyrobus en mode moteur.
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Le trolleybus est un véhicule de transport en commun électrique. Semblable à un autobus, le trolleybus diffère de
celui-ci du fait qu’il reçoit l’énergie électrique par des lignes aériennes de contact.
Fig. 1
Source : Alexandre April
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Cahier des charges de la Ville de Québec
Capacité de l’autobus et informations sur la ligne
En tant que concepteur, on doit respecter la liste de
demandes de la Ville de Québec énumérées dans un
document que l’on appelle « cahier des charges ».
Celui d’un autobus électrique autonome à volant
d'inertie peut être établi par analogie à celui d’un
véhicule conventionnel. Ainsi, il transportera 90
passagers sur la ligne de Métrobus de la ville de
Québec (ligne 800-801) qui relie le centre-ville de
Québec et la pointe de Sainte-Foy. La masse totale
de l’autobus, en incluant les passagers, est de
17 tonnes.
L'énergie nécessaire pour effectuer ce parcours avec
un autobus dépend de nombreux paramètres tels que
la vitesse maximale (60 km/h), l'accélération
maximale (1,2 m/s2) et le trafic rencontré. Pour un autobus à volant d’inertie, sur une route qui serait sans
dénivellation, le travail effectué par les forces non conservatives (frottement, résistance de l’air, pertes
lors des arrêts et des départs, etc.) pour parcourir un kilomètre où le trafic est « normal » est de
4,17 kWh/km et, pour un kilomètre où le trafic est « encombré », le travail engendré par ces forces non
conservatives est de 5,10 kWh/km. Pour une utilisation normale de l’autobus, même lorsqu’il est au
repos, le volant d’inertie de l’autobus doit tourner à une vitesse angulaire supérieure à 2100 tr/min; en
effet, en dessous de cette valeur, la capacité de traction de l’autobus est trop faible.
Dimensions du volant d’inertie
Le volant d’inertie présente une masse totale de 1,5 tonne et un diamètre maximal de 1,6 m. L’espace
pour le volant d’inertie est limité et impose les dimensions représentées à la figure 3.
Les valeurs des dimensions et des masses des différentes portions du volant d’inertie sont les suivantes :
diamètre du cylindre plein supérieur : D1 = 0,30 m
diamètre du cylindre plein inférieur : D2 = 1,4 m
épaisseur du cylindre creux : e = 0,1 m
masse du cylindre plein supérieur : m1 = 200 kg
masse du cylindre plein inférieur : m2 = 600 kg
masse du cylindre creux : m3 = 700 kg
Fig. 2 – Plan technique du Gyrobus de 1950 développé par la
compagnie Oerlikon.
Source : Maschinenfabrik Oerlikon via Proactiva.eu
Fig. 3 – (a) Volant d’inertie en acier constitué de deux cylindres pleins, ici numérotés 1 et 2, et d’un cylindre creux, numéroté 3.
(b) Vue en coupe avec les différentes portions du volant d’inertie.
Source : Alexandre April
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Cycle en trois étapes
Énumérez toutes les informations pertinentes que vous avez recueillies en lisant le problème. D’après
ces informations, indiquez ce que vous devez savoir pour le résoudre. À mesure que vous découvrez de
nouvelles informations, vous voudrez résumer et mettre à jour les informations pertinentes que vous avez
recueillies et poser de nouvelles questions.
Énumérez les éléments suivants :
Ce que nous savons
À déterminer
Résumé
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1. Autonomie de l’autobus
Trajet entre le centre-ville de Québec et la pointe de Sainte-Foy
L’autobus de type Gyrobus à concevoir doit être en mesure de parcourir le trajet de Métrobus 800-801 de
la ville de Québec sans recharge possible le long du parcours. Les stations de recharge se trouvent aux
extrémités de la ligne d’autobus et ont une puissance de recharge de 50 kW. La station de départ se
trouve dans le stationnement Dorchester, situé au centre-ville de Québec, et la station d’arrivée se trouve
sur la rue Marly, en face de Revenu Québec, qui est située à la pointe de Sainte-Foy. Cette ligne couvre
une distance de 13,8 km entre les stations de recharge. Le trajet de l’autobus se fait sur un terrain plat,
sauf dans son premier segment (sur la côte d’Abraham), lequel a une dénivellation de 50 m.
Questions
1) Énoncez le principe de la conservation de l’énergie.
2) Quelles sont les formes d’énergie présentes lors du trajet d’autobus du parcours 800-801?
3) De façon générale, quelle relation mathématique lie l’énergie cinétique de rotation d’un corps rigide,
sa vitesse angulaire et son moment d’inertie?
Fig. 4 – Itinéraire schématisé du trajet de Métrobus de la ville de Québec
Source : Alexandre April
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