Voiture solaire Eco Marathon Shell - Lycée Louis Armand Nogent École des mines Paris Lycée Louis Armand Paris

Participants BTS Conception de produits industriels: Yann BABELIAN Damien AUGER Quentin ROCA Ludovic GUIGNARD Romain TIXIER Nicolas ROULOT

Présentation du projet Le projet est un véhicule fonctionnant à l’énergie solaire, qui respecte les règles imposées par le Shell Eco Marathon. Il sera réalisé en partenariat avec l’école des mines de Paris et le Lycée Louis Armand de Paris. Le but étant de participer au Shell Eco Marathon 2009, dans la catégorie prototype. Celui-ci devra parcourir une distance donnée, en ayant le meilleur rapport énergie produite, énergie consommée

Énoncé du besoin

Pourquoi ce but existe t'il Gagner la course en consommant le moins d'énergie possible Conditions d'évolution Modification du règlement de l'Eco Marathon Shell Conditions de disparition Disparition de la catégorie, Disparition de la compétition

Phases de vie du véhicule Fabrication FP : utiliser des pièces du commerce ou matière première pour arriver à des ensembles de produits finis. Montage FP : assembler les ensemble pour arriver à un produit fini Transport FP : Transporter le véhicule Utilisation en course FP : permettre au pilote de rouler le plus loin possible sur le circuit en consommant le maximum d’énergie solaire et en consommant le moins d’énergie électrique Maintenance FP : Réparer le véhicule en cas de dégradation

Pédale d’accélérateur Structure Roues avant Châssis Poste de pilotage Transmission Coque Frein Direction Levier de frein Frein à disque Pédale d’accélérateur Roue arrière Assise Volant Visibilité Panneau solaire Batterie

Répartition des fonctions : Coque (Yann Babelian) Châssis (Nicolas Roulot) Direction (Damien Auger) Poste de pilotage (Quentin Roca) Transmission (Ludovic Guignard) Freinage (Romain Tixier)

La coque Yann Babelian

Sommaire Structure Matériaux composites La fabrication Designs existants

Structure Autoporteuse Non autoporteuse

Matériaux composites 1) Présentation Association de 2 matériaux non miscibles pour optimiser les caractéristique mécaniques. Composé de renforts et de matrices

2) Les renforts rôle : ce sont des fibres chargés d’assurer la tenue mécanique (résistance à la traction et rigidité).

Charge de rupture en traction (MPa) d’élasticité longi (MPa) Fibres densité Charge de rupture en traction (MPa) Charge de rupture en compression (MPa) Allongnt à la rupture en % Module d’élasticité longi (MPa) Diamètre du filament élémentaire (µm) Prix €/kg Verre E 2.54 3400 1200 4.8 73000 3-30 2 Verre R 2.48 4400 1300 5.4 86000 8 Aramide bas module 1.45 3100 500 70000 12 23 haut module 1 130000 30 Carbone Haute ténacité 1.78 2800 1800 0.5 200000 46/150 Haut module 1.8 2200 400000 Bore 2.63 3500 0.8 100-200 460 Acier XC10 7.85 1000 210000 Aluminium 358 69800 1.5

3) Les matrices lient les renforts répartissent les efforts (résistance à la compression) assure la protection chimique Les différentes familles de matrices

Plus utilisés : thermoplastique et thermodurcissable Résine thermodurcissable : polymère transformée en un produit essentiellement infusible et insoluble après traitement thermique (chaleur, radiation) Résine thermoplastique : polymère pouvant être alternativement ramollie par chauffage et durci par refroidissement dans un intervalle de température spécifique du polymère étudié. Les résines thermoplastiques présentent l'aptitude à l'état ramolli, de se mouler aisément par plasticité

Résines nom ρ(kg/m3) E (MPa) ν R (MPa) α μm/m°C Prix(F/kg)   Polyester 1300 3800 0.37 88 100 15 Vinylester 1200 3500 0.35 81 65 18 TD Epoxide 1220 5200 0.38 121 40 Silicone 1550 1000 0.45 3 30 200 Polyimide 1217 3450 80 36 150 Phénolique 1350 3000 0.36 70 10 Polyamide 1130 1900 0.33 85 25 TP Polycarbonate 1100 2300 60 Polyester saturé 1310 2800 55 90 métaux Aluminium 2630 69000 358 23 13 Acier XC10 7850 210000 0.29 Cuivre 8940 119000 0.30 350 17 11 Magnésium 1660 42000 280 27

4) Structure Monocouche : élément de base du composite fibres longues ou fibres courtes Stratifier : Sandwich :

La fabrication Méthode utilisée pour le TIM, véhicule de l’école d’ingénieur de Toulouse Étape 1:

Étape 2 : Étape 3 :

Étape 4 : Moulage sous vide 1 : moule 2 : fibre + résine 3 : séparateur perforé 4 : tissus molletonné 5 : sac 6 : gomme adhésive 7 : pompe à vide

Moule utilisé par l’INSA de Rouen

Designs existants Toulouse TIM : ENSA Lyon : ESTACA : GMP Valenciennes :

Châssis Roulot Nicolas

Le châssis doit pouvoir : Supporter le poids du pilote et des autres éléments du véhicule. Être stable et équilibré sur seulement 3 roues. Être le plus légers possible. Encaisser les irrégularités de la piste. Être réalisable avec des outils standards.

3 Types de châssis Le châssis poutres Le châssis tubulaire Le châssis autoporteur

Châssis poutres Modèle simple pour les calculs Rdm Avantages Réalisation simple ne nécessitant que deux poutres Modèle simple pour les calculs Rdm Inconvénients Flexion importante de la poutre centrale Poutre de section importante

Châssis tubulaire Avantages Inconvénients Meilleur rigidité de l’ensemble Points de fixation plus nombreux Protection contre les chocs latéraux Inconvénients Nombreuse soudures Maîtriser la mécano soudure

Châssis autoporteur Avantages Inconvénients Fusion du châssis et de la coque Légèreté Rigidité Inconvénients Réalisation complexe Matériaux chère Temps de conception et de fabrication assez long

Choix des matériaux L’Acier i = 10 à 40 L’Aluminium i = 15 Le Titane i = 28 Composite Carbone/Époxy i = 28 à 103

Alliages d’acier Avantages Matériau de référence Bonne propriétés mécaniques selon le type d’acier Prix faible Inconvénients Masse volumique importante Usinage difficile par rapport à l’aluminium

Alliages d’aluminium Avantages Rapport résistance/poids prix le plus intéressant Masse volumique faible Prix convenable Usinabilité aisée Inconvénients Propriétés mécaniques inférieur à celle de l’acier

Alliages de Titane Avantages Résistance mécaniques par rapport aux poids supérieur à 25% / à l’aluminium et l’acier Inconvénients Masse volumique comprise entre l’aluminium et l’acier Prix élevé Matériau dur à se procurer Usinabilité difficile

Composite Carbone/Époxy Avantages Très bon module d’Young par rapport au poids Bonne résistance en traction et en flexion Masse volumique faible Inconvénients Prix élevé Mise en œuvre et mise en forme difficile

Pour une poutre de section carré creux en composite carbone/epoxy Pré dimensionnement Pour une poutre de section carré creux en composite carbone/epoxy Hauteur x largueur = 50 x 50 Épaisseur = 2.8 mm Longueur = 2 m Module de Young = 130 GPa Force appliquée = 1000 N Flèche = 6.5 mm Variation de 6.5 à 9,5 mm en fonction de la fibre Avec un poutre en Acier à iso dimensions, la flèche est égale à 4 mm

Direction Damien AUGER

Trouver une direction adéquat à ce véhicule Analyse de l’existant Prise de décision (choix des matériaux) Achat des pièces Assemblages

Direction par Crémaillère Cliché direction de voiture Schéma détailler

Direction par câble Cliché d’un « KMX » Schéma détailler

Direction par Biellette Cliché d’un karting Schéma détailler

Comparaison des systèmes Produit Crémaillère Câble Biellette Prix Elevé Faible Moyen Poids Très faible faible + Précision de la direction Conception réduite Encombrement Système simple à mettre en place - Poids, encombrement Contrainte effort latérale Usure

Poste de pilotage ROCA Quentin

Sommaire Composition Une assise Une commande d’accélérateur Une commande de direction Des leviers de freins Etudier le champs de vision 47

L’assise Une assise semi allongée, bien plus confortable (Tel que les Kmx ou vélos couchés) Une assise personnalisée aux deux morphologies de pilotes afin d’accroitre l’aisance à la conduite Jambes pliées ou jambes tendues ? Tendues pour une voiture en pointe, avec une plus grosse pénétration dans l’air 48

Commande d’accélérateur Poignée type moto ou pédale ? Le comodo: adaptable à toutes les commandes de direction. Fourni dans le cas d’une motorisation de type hub motor La pédale: pas adaptée en position allongée

Commande de direction Volant Guidon De type Kmx Conception carbone

Conclusion commande direction encombrement masse Volant minime en rapport avec son matériaux Guidon moyen moyenne Guidon en V Commande Kmx volumineux Conception carbonne minime (carbonne) Concordance du guidon (standar et V) et de la direction Kmx avec la commande d’accélérateur. Dépendance de la commande au système de direction.

Commande de freins Levier de freins type vélo ou pédale de frein masse prix AVID JUICY 7 434 g 175 € av AVID JUICY CARBON 870 500 av + ar FORMULA ORO K24 427 150 av (enduro) HAYES HFX 9 XC 430 120 HOPE MONO MINI 340 170 Aisance du montage Intégration à la totalité des commandes de direction

Etude du champs de vision Etudier le champs de vision nécessaire au pilote pour une conduite aisée (résulte de l’angle de l’assise) Etudier le reflet du soleil dans le pare-brise au moment de la course (résulte de l’horaire de la course)

Transmission Ludovic Guignard

Transmission Types de moteurs. Transmission.

Moteur à aimant permanent. Types de moteurs: Moteur à aimant permanent. Moteur DC à balais. Très commun. Contrôle simple. Pertes, fragile. Moteur DC Brushless. Pas de maintenance / bonne durée de vie. Rendement. Contrôle complexe. Moteur roue. Rendement et récupération d’énergie. Fiabilité. Absence de transmission externe. Rapport de transmission obligatoirement de 1.

Types de moteurs: Moteur à aimant non permanent. Moteur asynchrone. Couple élevé. Prix. Pertes. Moteur à courant continu à excitation séparé. Rapport couple/vitesse. Dépassé.

Transmission. Par engrenages. Motoréducteur planétaire. Très bon rendement (0.95). Encombrement. Manque de flexibilité.

Transmission. Par obstacle. Chaîne. Courroie. Simplicité, fiabilité. Réglages. Rendement moyen (0.75). Courroie. Simplicité, fiabilité,flexibilité.

Freinage liaisons au sol avant Romain TIXIER

2 système de freinage pour les roue avant 1 système de freinage à l’arrière Dimensionnement des roues avant Type des roues avant Matériaux utilisés

Les différents systèmes Marque Hayes Avid Shimano XTR Shimano XT Type Disque hydraulique V- Brake photo Prix 199€ 150€ 44€ poids 550g 450g 200g 175g + -Puissance de freinage Précision -nécessite peu de place au montage -Poids -poids - Simplicité de réglage -prix - - Prix -Commande et transmission vendu séparément -Faible puissance de freinage usure rapide des patins

Disque hydraulique Avid Juicy Système retenu: Disque hydraulique Avid Juicy Puissance et précision de freinage Encombrement du système plus faible Poids

Dimensionnement des roues avant Taille Roue 16 pouces (40.64 cm) Roue 20 pouces (50.80 cm) Avantages - Poids - encombrement - De nombreux produits en vente, modèles, marques, matériaux différents - prix variables inconvenants - Chocs plus ressentis - moyeux à disques incompatibles Taille de roue choisie: 20 pouces malgré la légère différence de poids Critères: - très grand choix de modèles - disques incompatibles avec moyeux 16 pouces

Choix des roues avant Type de roue choisie: Modèle mixte Rayons Pleines Modèle mixte (à Rayon et cache) Avantages - dévoilage facile - Frottement réduit - dévoilage Facile Frottement réduit inconvenants - frottement - à réaliser au lycée - poids - Prix - cache à réaliser au lycée Type de roue choisie: Modèle mixte Critère: - prix - Frottement réduit - poids