Choix technologiques

Cette partie étant relativement longue, voici un menu avec des liens :

1. Pourquoi ce moteur ?

2. Étude d'un guidage en rotation

3. Liaison complète

Pourquoi ce moteur ?

Moteur 2T :

• Plus léger et moins encombrant
• Plus puissant à cylindrée égale qu’un 4T
• Plus simple 4T → moins cher et plus facile d’entretien
• Cylindrée : 40 cm³ → Suffisant pour tailler des ronciers ou des herbes hautes (conseil.manomano.fr)

Etude d'un guidage en rotation

Nous allons étudier le guidage en rotation du vilebrequin de notre système mécanique. Le vilebrequin fait office de manivelle dans le système bielle-manivelle de notre moteur 2 temps. Il est animé en rotation grâce au mouvement linéaire alternatif du piston transmis à la bielle puis au maneton du vilebrequin.

Ce guidage en rotation est réalisé grâce à 2 roulements à billes à contact radial identiques disposé de part et d’autre des masselottes. Le montage de roulement est ici à arbre tournant, les bagues intérieures sont montées avec serrage tandis que les bagues extérieures sont montées avec jeu.

Les roulements à billes sont des KBC 6202 :

Diamètre extérieur : 35mm

Alésage : 15mm

Epaisseur : 11mm

Nombre de rangée(s) de billes : 1

Nombre de billes : 8

Poids : 44g

Etanchéité : aucune

Type de cage : acier

Matériau : GCR15 acier chromé

Charge dynamique de base : lien

Blocage des translations :

Les roulements sont bloqués en translation grâce à un épaulement à droite, un circlips à gauche et le vilebrequin empêche les autres déplacements. Ce montage de roulement peut donc être représenté par un montage rotule-rotule. Le montage a été modélisé grâce au logiciel Pyvot.

Etanchéité du montage :

L’étanchéité de l’ensemble est réalisée par 2 joints à 2 lèvres disposés à chaque extrémités du montage. Ces joints d’étanchéité sont extrêmement importants car ils doivent empêcher le mélange essence-air de sortir mais aussi empêcher des corps étrangers de rentrer.

Etude de la durée de vie du montage de roulements

Hypothèses de travail :

On estime le ralenti de notre moteur à 400 tr/min et sa vitesse de coupe moyenne à 8000 tr/min. On estime que le moteur tourne 40% du temps au ralenti et 60% du temps en vitesse de coupe. On a donc une vitesse moyenne de rotation du vilebrequin de :

$$Vm = 0.4×400+0.6×8000$$
$$Vm =4960 \ tr/min$$

On suppose donc une vitesse de rotation moyenne du vilebrequin de 4960 tr/min.

On considère notre moteur comme ayant une puissance de 1.5 kW à 8000 tr/min.

On considère que nous sommes en régime établi car on travaille à vitesse constante, il n’y a donc pas d’inertie et sachant que le vilebrequin est équilibré il n’y a alors pas de vibrations.

On doit calculer la durée de vie du montage à 400 tr/min et à 8000 tr/min. On considère les forces appliquées aux roulements à 400 tr/min comme négligeables. On calcule donc seulement la durée de vie à 8000 tr/min.

On donne une valeur d'utilisation de 4h par jour afin de donner un ordre d'idée de la durée de vie de ce montage.

Calcul de la force radial Fr appliquée sur les roulements :

$$P = C × ω$$

$$C = {P \over ω}$$

$$C = {P \over {2 × π × N \over 60}}$$

$$C = {1500 \over {2 × π × 8000 \over 60}}$$

$$C = 1.79 \ Nm$$

  D= distance bras de levier = 16 mm

$$C = Fr × D$$

$$Fr = {C \over D}$$

$$Fr = {1.79 \over 0.016}$$

$$Fr = 112 \ N$$

Calcul de la durée de vie d’un roulement pour 90% de fiabilité :

$$L10 = ({C \over Fr})^n$$

$$L10 = ({7650 \over 112})^3$$

$$L10 = 318 \ 662 \ millions \ de \ tours $$

Calcul de la durée de vie de l’ensemble des 2 roulements :

$$LE10 = {({({1 \over L110})}^{1.5}+{({1 \over L110})}^{1.5})}^{(-{1 \over 1.5})}$$

$$LE10 = {({({1 \over 318 \ 662})}^{1.5}+{({1 \over 318 \ 662})}^{1.5})}^{(-{1 \over 1.5})}$$

$$LE10 = 200 \ 744 \ millions \ de \ tours $$

Calcul de la durée de vie de l’ensemble :

$$L10H = {LE10 × 10^6 \over 60×N}$$

$$L10H = {200 \ 744 × 10^6 \over 60×8000}$$

$$L10H = 418 \ 000 \ heures\ de \ fonctionnement$$

Calcul de la durée de vie de l’ensemble pour 4h par jour à 8000tr/min :

$$L10A = {L10H \over hrs/jrs×nmbre \ de \ jrs/an}$$

$$L10A = {418 \ 000 \over 4×365.25}$$

$$L10A = 286 \ années\ de \ fonctionnement$$

Nous avions estimé que notre moteur tournait 40% du temps au ralenti et 60% du temps en vitesse de coupe, pour une vitesse moyenne de rotation de 4960 tr/min. Etant donné nos résultats pour nos roulements avec une vitesse de rotation de 8000 tr/min pendant 4h chaque jour, nous avons obtenu une durée de vie de 286 années. Etudier la durée de vie du montage de roulements à 4960 tr/min est donc inutile car même si on supposait une utilisation 24/24 notre montage aurait une durée de vie supposée de 47 années.

Ces résultats qui peuvent sembler énormes se justifient par le fait qu'un moteur de rotofil entraîne en rotation un arbre qui entraîne à la fin un fil afin de couper des plantes, le couple nécessaire est extrêmement faible ainsi les roulements ne s'usent que peu. Le prix d'un roulement est relativement faible, en effet à l'unité un KBC 6202 peut s'acheter sur internet moins de 2$, une entreprise fabriquant plusieurs milliers de moteurs peut diminuer les coûts en négociant avec son fournisseur et probablement obtenir un prix à l'unité inférieur à 0.50$. Il serait donc absurde de ne pas surdimensionner les roulements sachant que le coût est négligeable et que le montage est alors assuré de ne pas casser à cet endroit là. Enfin, un gros roulement permet d'avoir un gros vilebrequin par conséquent plus robuste.

On peut donc conclure que d’autres pièces du moteur auront cassées bien avant que notre montage ne soit hors service et que nos roulements n’auront même pas le temps de prouver leur résistance.

Liaison complète : Volant magnétique - arbre moteur

 Comme on peut le voir ci-dessous, l’arrêt en rotation du volant magnétique par rapport à l’arbre moteur est réalisé par une clavette disque. 
L’arrêt en translation est réalisé à droite par un écrou et une rondelle frein, et à gauche par la forme conique de l’arbre moteur, sur laquelle le volant magnétique vient s’appuyer, via un alésage conique également.

Page suivante - Matériaux et procédés