L'élévation

La liaison Cardan

La rotation du plateau tournant

l'électronique de commande

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

LA LIAISON CARDAN

 

INTERET DE LA LIAISON CARDAN

Le Crazy Spin est une maquette de manège de type « chaises volantes », il se distingue dès lors des manèges classiques. En effet, ces derniers ne possèdent qu’un arbre central tournant alors que les manèges de type « chaises volantes » ont un plateau tournant supportant les chaises et ayant la particularité d’être inclinable. Pour que ce plateau puisse être inclinable dans toutes les directions, ce dernier doit être lié au bâti par une liaison rotule. La liaison cardan va en partie assurer cette fonction. De plus, chaque rotation est assurée par un moteur différent. Ainsi chaque mouvement est préalablement programmé.

 

NOTRE DEMARCHE

En premier lieu, nous avons tout de suite pensé à installer un moteur au sommet de l’arbre afin d’assurer la liaison entre le plateau et celui-ci, permettant ainsi au plateau de tourner sur lui-même.
Ainsi, il nous restait à déterminer de quelle manière réaliser a liaison rotule à doigts (une liaison rotule privée d’un degré de liberté, donc une liaison permettant deux rotations d’axes perpendiculaires).
Notre première idée a été de prévoir un arbre tournant tel un bras articulé : c’est-à-dire un arbre en deux parties liées par un pivot parallèle au sol. Cependant, cette méthode était irréalisable car les fils électriques reliés aux moteurs supérieurs s’enrouleraient autour de la maquette et bloqueraient la rotation au bout de quelques tours.
Il nous fallait donc trouver un moyen de réaliser une rotule à doigts évitant des déplacements trop importants pour les fils électriques. Cependant, l’emploi de balais-frottants pour alimenter les moteurs supérieurs comme dans certains manèges coûterait trop cher. Notre professeur de mécanique Joël Boulouch nous a donc présenté un joint de cardan, que l’on retrouve dans les automobiles pour accoupler deux arbres tournants non alignés, ou dont les positions angulaires de l'un par rapport à l'autre peuvent varier : par exemple l'axe du volant et le boîtier de direction - surtout dans le cas d'un volant réglable en hauteur par rapport au conducteur. Il s’agit en effet d’une liaison pivot insérée perpendiculairement dans une autre.

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Maquette numérique d’un joint de cardan

 

PRINCIPE DE LA LIAISON CARDAN

La liaison cardan consiste à emboîter une liaison pivot dans une autre liaison pivot. L’objectif est donc d’avoir l’axe de rotation d’un pivot solidaire au mouvement de rotation du premier pivot, on placera ainsi sur cet axe un moteur qui se chargera de réaliser le deuxième pivot.

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CHOIX DES MOTEURS

Il nous fallait des moteurs capables de maintenir le plateau du manège dans diverses positions, donc des moteurs ayant du couple à l’arrêt. Notre choix s’est donc porté sur des moteurs pas à pas pour leur capacité à pouvoir contrôler leur vitesse ou leur position.

Comment se calcule le couple d’un moteur ?

Le couple d’un moteur se mesure en mNm (milliNewton.mètre). Ce qui correspond à la force en milli-newton que le moteur peut maintenir pour un bras de levier d’un mètre. Ainsi, plus la longueur du bras de levier, autrement dit la distance entre l’axe du moteur et le point où est exercé l’effort, est petite ; plus le moteur peut supporter un effort important. Pour notre PPE, les efforts représentent le poids des pièces, sachant qu’un kilogramme équivaut à un effort de 10 N et que le bras de levier est la distance entre les pièces et l’axe du moteur.

Couples moteurs nécessaires :

Pour le pivot supérieur, il nous fallait un moteur capable de maintenir en position le plateau  tournant. Celui-ci étant très léger (conçu en polystyrène extrudé), un moteur pas à pas d’un couple faible était envisageable. Néanmoins, afin d’assurer une liaison fiable nous avons choisi un moteur ayant un couple de 100 mNm. Le plateau étant à une distance de l’axe du moteur d’environ 10 cm, ce dernier pourrait maintenir en position un plateau de 100 grammes, ce qui est plus lourd que le plateau réel.

RS305067002

Pour le pivot inférieur, il nous fallait un moteur capable de maintenir et de soulever le moteur supérieur. Celui-ci pesant 150 grammes et étant situé à 5 cm de l’axe du moteur inférieur, il nous fallait un moteur ayant un couple supérieur à 75 mNm. Néanmoins, ce moteur doit également supporter l’ossature complète de la liaison cardan ainsi que le plateau tournant, ce qui conduit à utiliser un moteur ayant un couple deux fois supérieur, soit un moteur d’un couple supérieur à 150 mNm. Enfin, pour que le moteur puisse assurer la liaison sans peine et qu’il puisse tourner rapidement, nous avons choisi un moteur ayant un couple de 500mNm.

RS 440-458

En effet, il est souvent recommandé d’employer des moteurs pas à pas ayant des couples bien supérieurs aux couples nécessaires pour qu’ils puissent fonctionner rapidement et être constamment efficaces. Autrement leur vitesses pourraient être très faibles et les moteurs pourraient se bloquer dans les positions dites « extrêmes », c’est à dire les positions où ils doivent déployer un couple maximal.

 

CONCEPTION

L’ensemble de la liaison cardan repose sur un socle en bois qui sera fixé au dispositif permettant le soulèvement de celle-ci.

Premier pivot

On aligne deux planches posées verticalement sur le support. On les perce chacune d’un alésage légèrement supérieur à 30 mm pour permettre de monter glissant un jonc de diamètre 30 servant d’axe au premier pivot. On place une troisième planche alignée aux deux autres sur laquelle sera fixé le moteur pas à pas assurant la rotation du jonc. En effet, la tige du moteur est encastrée dans le jonc, permettant ainsi à celui-ci de pivoter sur lui même.

Second pivot

On encastre un jonc de diamètre 20mm dans le jonc du premier pivot en veillant à ce qu’ils soient perpendiculaires. A l’une des extrémités du petit jonc, on fixe une planche de contre-plaqué qui permettra l’installation d’un autre moteur pas à pas. Ensuite, on découpe en trois parties une fine et légère plaque métallique et on assemble les morceaux à l’aide d’équerres pour constituer un « U ». La première extrémité du « U inversé » est fixée à l’aide d’un morceau de jonc à la tige du moteur, ce qui permet à la base du « U »de pivoter autour du jonc de diamètre 20. Pour mieux guider la liaison, l’autre extrémité contient un alésage d’un diamètre légèrement supérieur à 5 mm permettant à une vis encastrée dans le jonc d’être montée glissant dans le « U ». Nous avons donc un véritable pivot autour du second jonc.

La liaison cardan est dès lors complète, il nous aura fallu une grande précision dans l’alignement des éléments pour permettre la création des deux pivots. On place enfin le moteur à courant continu sur la base du « U », il permettra de faire pivoter le plateau tournant.

 

PPE Crazy Spin Desquilbet Clotilde | Mokhtari Rémy | Ratsifandrihana Rado | Verdier Agnès