Cdc canne de randonnee - Technologie, Sciences de l`Ingénieur et

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
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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 ?
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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.
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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)
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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)
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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.
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Elève 1
Elève 2
Elève 3
Elève 4
Elève 1
Elève 2
Elève 3
Elève 4
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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.
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Elève 1
Elève 2
Elève 3
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Elève 4
CONCEPTION PRELIMINAIRE
11. CARACTERISTIQUES DU CIRCUIT ELECTRONIQUE PERMETTANT LE REDRESSEMENT
- Schéma structurel du circuit électronique
- Phase d’expérimentation
- Nomenclature
- réalisation
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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.
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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
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