✍️ Auteurs : Ryan MEIGNEN, Habibou SOW et Matéo CHEVALIER (PEiP-2A)
🎓Tuteur : Sylvain VERRON, Enseignant-Chercheur à Polytech Angers
🏷️ Mots-clés : Ressort, CAO, déformation élastique, liaisons
Légende : Capture d’écran sur Onshape de notre voiture
Présentation : Qui sommes-nous ?
Bonjour à tous et bienvenue sur notre blog ! Nous sommes 3 étudiants en 2e année de cycle préparatoire à Polytech Angers. Dans le cadre de notre fin de semestre 4, nous avions un projet de 100h à réaliser pour finaliser notre cursus PEIP. Nous sommes très heureux de vous présenter aujourd’hui le fruit de notre travail !
Introduction : C’est quoi ce projet ?
Imaginez un jouet d’enfance, une petite voiture que l’on remonte et qui avance toute seule. C’est exactement le principe mécanique de notre projet de Semestre 4 ! Encadrés par notre professeur Sylvain VERRON, notre défi était de concevoir, fabriquer et analyser un véhicule capable de se déplacer uniquement grâce à l’énergie d’un ressort.
Le principe est simple à comprendre : quand on déforme un ressort en le tordant ou en l’étirant, il stocke de l’énergie (on appelle cela de l’énergie mécanique par déformation élastique). Lorsqu’on le relâche, il cherche à reprendre sa forme d’origine et libère cette énergie pour faire tourner les roues, ce qui fait avancer la voiture. En apparence, le principe semble facile. Pourtant, vous allez voir que sa mise en pratique nous a demandé une bonne dose d’ingéniosité !
1. S’inspirer pour mieux comprendre
Avant de nous lancer tête baissée dans la fabrication, nous devions comprendre comment agencer des roues et des engrenages pour que l’énergie du ressort soit transmise efficacement.
Nous avons d’abord recherché des modèles réduits existants, comme les célèbres petites voitures de collection de la marque Schuco. Ensuite, grâce à un petit modèle de démonstration fourni par notre école et à des vidéos d’animation 3D éducatives trouvées sur YouTube (notamment celles du créateur Jared Owen, Lien Vidéo), nous avons compris le “secret” mécanique : un système ingénieux qui permet d’embrayer et de débrayer les roues selon qu’on remonte le ressort ou qu’on laisse la voiture avancer. Notre stratégie ? Recréer ce même mécanisme, mais en plus grand pour pouvoir l’étudier facilement !
Légende : Capture d’écran issue de l’animation pédagogique de Jared Owen. Ce schéma nous a permis de visualiser l’emplacement des engrenages avant d’attaquer nos propres dessins.
2. Des calculs théoriques à la modélisation 3D
Pour savoir où nous allions, nous avons posé quelques chiffres sur le papier. Notre objectif est un peu fou mais motivant : faire parcourir 15 mètres à notre voiture !
2.1 Calculs théoriques
Pour cette partie centrale de notre projet nous avons consacré une phase de 30 heures à l’étude théorique et aux calculs de dimensionnement.
Le cahier des charges est simple : Pour garantir la solidité du bolide, nous avons misé sur un châssis en Plexiglas de 8 mm. Mais avant de calculer la moindre trajectoire, nous avons dû mesurer précisément chaque composant : ressort, roues, moyeux[1]… afin de partir sur des bases de calcul solide.
L’énergie et la mécanique : En nous appuyant sur les données du ressort, nous avons estimé qu’il nous fallait au moins 7 Joules pour atteindre notre objectif. Bonne nouvelle : les calculs confirment que notre ressort est capable de délivrer cette énergie ! Les calculs sont assez complexes et longs mais nous avons résumé en un tableau les principales données qui nous ont amené à ce résultat.
Légende : Extrait de notre tableau Excel de calcul sur l’énergie produite par notre ressort
Côté transmission, tout s’est joué sur la formule magique des engrenages :
Cette formule nous dit que le diamètre dépend du module[2] et du nombre de dents de nos roues. Après plusieurs essais théoriques, nous avons opté pour un module de 3 mm. C’est le compromis parfait pour intégrer nos moyeux sans fragiliser le système.
Conclusion : Pour finaliser cette phase de calcul, nous avons lancé une simulation numérique. En intégrant un rendement de 85 % et les moments d’inertie[3] calculés sur Onshape, les résultats sont tombés : 15 mètres en seulement 8,4 secondes ! Bien sûr, la réalité du terrain (frottements, imprévus) fera varier ces chiffres, mais cette base était indispensable pour valider notre conception. Pour la petite anecdote, nous avons même testé la viabilité du concept avec un prototype en LEGO : c’était plus petit et plus léger, mais ça nous a prouvé que notre idée tenait la route !
Légende : Photographie de notre voiture LEGO finalisée
2.2 Modélisation 3D
Une fois les calculs théoriques posés, place au dessin sur ordinateur ! On appelle cela de la CAO[4]. Pour cela, nous avons utilisé un logiciel formidable nommé Onshape. Contrairement aux logiciels classiques comme SolidWorks, Onshape fonctionne entièrement sur internet. Cela nous a permis de travailler tous les trois en même temps sur la même pièce le tout dans un seul fichier centralisé. Onshape nous a aussi permis d’utiliser des petits programmes appelés des scripts créés par la communauté pour nous simplifier le travail :
Gears : pour créer automatiquement des engrenages parfaits en donnant juste la taille des dents (le module) et le nombre de dents voulu.
Laser Joint : pour créer des petites encoches parfaites afin que nos plaques de plexiglas s’emboîtent au millimètre près.
Auto Layout : pour ranger toutes nos pièces bien à plat et envoyer le fichier directement à la machine de découpe laser du Fablab de l’école !
Légende : Vue 3D globale de notre voiture dessinée sur Onshape. Le code couleur nous aide à repérer en un coup d’œil quel axe fait tourner quel axe en lien avec le code couleur de la vidéo youtube de Jared Owen.
3. Les imprévus lors de la conception : Car oui, il en faut bien !
Les aléas lors d’un projet sont inévitables, et c’est ce qui rend l’ingénierie passionnante.
1. Lors de nos premiers dessins, nous avions prévu d’utiliser un arbre[5] de 6 mm de diamètre. Problème : en modélisant les pièces, nous avons remarqué qu’il n’y avait pas assez de surface pour fixer solidement nos roues aux moyeux.
Pas de panique ! Après en avoir discuté avec notre professeur M. Verron, nous avons adapté notre stratégie : nous avons réduit la taille de l’axe à 3 mm et augmenté la taille des dents de nos engrenages. Résultat : un mécanisme beaucoup plus robuste et fiable !
Légende : Visuel sur Onshape de notre problématique
Légende : Visuel sur Onshape de notre solution de dents
2. Ensuite, pour solidariser le ressort à l’axe moteur, nous avons conçu un système de dents de fixation. Initialement prévu sur un arbre de 3 mm, l’espace s’est avéré insuffisant pour garantir un montage fiable.
Nous avons donc décidé d’augmenter le diamètre de cet axe spécifique à 6 mm uniquement sur cet arbre : ce choix permet d’intégrer facilement les dents de maintien tout en renforçant la résistance mécanique de la pièce, qui supporte les efforts les plus importants du mécanisme lors de la détente du ressort.
Mais vous verrez que par la suite ce choix ingénieux en apparence n’a malheureusement pas fonctionné.
4. Prototype n°1 : Le passage du virtuel au réel
Après avoir passé des heures sur nos écrans, nous avons enfin reçu nos pièces découpées au laser et nos éléments imprimés en 3D. C’est l’heure de vérité : l’assemblage du premier prototype. L’objectif ? Vérifier si notre théorie tient la route. Spoiler : la réalité nous a réservé quelques surprises !
4.1 Quand les dents lâchent prise
Le premier gros défi a été de lier le ressort à l’axe moteur. Au départ, nous avions dessiné des petites dents directement sur notre roue bleue pour “mordre” le ressort. Mais à l’usage, la force du ressort était bien trop brutale : crac, les dents se sont cassées. La solution ? Nous avons pivoté vers l’impression 3D en créant un moyeu spécifique. Ce moyeu possède une entaille robuste qui permet de bloquer le ressort bien plus solidement.
Légende : Visuel sur Onshape de notre solution de moyeu
4.2 Le ressort sous haute surveillance
Sur les conseils de notre tuteur, M. Verron, nous avons ajouté une coque de protection autour du ressort. Sans elle, le ressort se déformait de manière irrégulière ce qu’on appelle le flambage[6]. Cette coque le force à rester bien à plat et stable. Cependant, si la coque protège efficacement le mécanisme, elle ajoute aussi de nombreux frottements. C’est un équilibre que nous devons affiner.
Légende : Visuel sur Onshape de notre solution de coque
4.3 Le trou qui n’allait pas dans le bon sens
Pour que notre voiture avance, certains arbres doivent se déplacer (translation) pour que les engrenages se touchent. Problème : nous avions orienté les fentes de guidage vers le bas. Résultat ? L’arbre restait coincé en bas et ne se remettait jamais en place. Pour corriger cela sans tout jeter, nous avons imprimé des petites pièces correctives qui viennent changer l’angle du trou vers le haut. Grâce à cette astuce, l’arbre se repositionne maintenant tout seul grâce à la gravité.
Légende : Visuel sur Onshape de notre solution
4.4 Bilan de ce premier essai
Ce premier prototype était encourageant, mais les frottements nous ont donné du fil à retordre. Avec l’échéance qui approchait, nous avons dû prendre des décisions rapidement pour lancer un deuxième prototype. Faute de temps, nous avons pris une décision radicale : changer complètement notre système de transmission pour tenter de sauver le projet et voir enfin la voiture parcourir ses premiers mètres. Est-ce que ce pari de dernière minute a fonctionné ?
Légende : Prototype fonctionnel de notre voiture à ressort
5. Prototype n°2 : Le sprint final
Après les premiers tests, nous avons conclu que notre mécanisme était trop complexe pour le temps qu’il nous restait. Pour ce deuxième prototype, nous avons choisi de simplifier le système pour faire fonctionner notre voiture.
5.1 Au revoir la complexité et bonjour l’efficacité
Nous avons dû revoir notre système d’arbres coulissants (censé gérer l’engrènement tout seul) car celui ci posait problème. En théorie, tout fonctionnait. Mais en pratique, les arbres se mettaient de travers, se coinçaient et refusaient de coulisser droit.
Notre principale modification :
- Abandon des arbres coulissants : Nous avons supprimé la roue orange et son arbre. Puis pour l’arbre des roues rouges, nous avons arrêté de vouloir le faire bouger. Nous avons percé de nouveaux trous bien alignés pour que celui ci soit fixé solidement au chassis.
Le résultat : Le mécanisme est devenu plus simple et direct. Seul problème à cette solution c’est que sans le système de régulation, le ressort lâche toute son énergie d’un coup. Nous allons alors perdre beaucoup d’énergie du ressort et donc de distance parcourue par notre véhicule.
5.2 La guerre des frottements
Une de nos principale problématique lors de nos premiers tests était les pertes d’énergie dûes aux frottements :
- Les roues : Nous avons ajouté une vis à chaque extrémité pour bloquer les roues sur leurs axes. C’est une modification simple, mais elle garantit une liaison plus solide et fiable.
- L’arrière : Nous avons installé des moyeux sur l’essieu arrière pour empêcher l’axe de bouger de gauche à droite. La voiture reste bien stable et ne se bloque plus lors de la décharge.
- L’avant : Nous avons remplacé les moyeux par des roulements à billes. Résultat : presque zéro frottement et une rotation fluide sur notre essieu principal.
Légende : Prototype fonctionnel de notre voiture à ressort avec un système réorganisé
Bilan de ce second essai
Ce prototype 2 est moins “sophistiqué” que prévu au départ, mais celui ci fonctionne ! On a peut-être perdu en distance à cause de la décharge rapide du ressort, mais on a gagné en fiabilité.
6. Prototype 3 : Version finale
Dans une dernière tentative, à la toute fin de ce projet de 100 heures, nous avons essayé d’améliorer notre distance parcourue en nous attaquant à l’une de nos contraintes les plus importantes : le poids.
6.1 Optimisation structurelle et réduction de la masse
Lors des premiers essais, nous avons constaté que la masse réelle du véhicule (1,85 kg) excédait nos prévisions initiales (1,5 kg), empêchant ainsi une progression efficace. Pour y remédier, nous avons procédé à une restructuration sur le logiciel Onshape afin de supprimer tout excédent de matière sur le châssis et les coques en Plexiglas. Cette démarche d’allègement, complétée par l’ajout de congés[7] et le retrait de la coque intermédiaire, a permis de réduire la masse totale de plus de 30 %, ramenant le prototype à 1,22 kg.
6.2 Simplification de la chaîne de transmission
Afin de limiter les pertes d’énergie et les frottements, nous avons simplifié le mécanisme en supprimant les roues rouges. Ce choix permet un engrènement direct entre la roue principale liée au ressort et le pignon de l’essieu, améliorant ainsi l’adhérence globale du système. Bien que cette configuration transforme techniquement le véhicule en traction, ces modifications ont permis d’obtenir une progression fluide sur plusieurs mètres lors de la libération du ressort.
Légende : Notre essai le plus concluant sur notre projet : environ 6 mètres
Conclusion de notre projet
Ce projet a abouti à la réalisation d’un prototype fonctionnel, bien que certaines fonctionnalités prévues (système de recharge, déclenchement manuel, coque décorative) aient été écartées en raison des contraintes de temps. Bien que l’objectif de 15 mètres n’ait pas été atteint, l’analyse de nos résultats nous permet aujourd’hui d’identifier des axes d’amélioration :
- Optimisation des matériaux : L’utilisation de Plexiglas de 5 mm d’épaisseur (au lieu de 8 mm) permettrait d’alléger davantage la structure sans compromettre sa solidité.
- Standardisation des composants : L’adoption d’axes en acier aux dimensions standards limiterait le jeu mécanique et augmenterait la précision de la transmission.
- Ajustement de la garde au sol : L’utilisation de roues de plus grand diamètre permettrait de pallier la faible garde au sol du prototype actuel.
Ce projet de 100 heures s’achève ici. Nous espérons que vous avez apprécié découvrir les coulisses de notre aventure technique et le développement de notre prototype. Merci pour votre lecture !
- [1] Moyeux : c’est la pièce centrale située au milieu d’une roue ou d’un engrenage. Nous l’utilisons pour faire le lien entre la roue et l’arbre (l’axe). Il permet de fixer solidement les éléments ensemble afin qu’ils tournent parfaitement en même temps sans glisser.
- [2] Module : c’est tout simplement la taille des dents d’un engrenage. Pour que deux roues dentées puissent s’emboîter et fonctionner ensemble, elles doivent obligatoirement avoir le même module. Plus le module est grand, plus les dents sont grosses et résistantes.
- [3] Moments d’inertie : c’est la résistance d’un objet à se mettre en mouvement (ou à s’arrêter). Plus le moment d’inertie est élevé, plus il faut d’énergie pour faire tourner l’axe ou les roues. C’est un calcul essentiel pour savoir si notre petit ressort aura assez de force pour “lancer” la voiture.
- [4] CAO ou Conception Assistée par Ordinateur : c’est l’utilisation de logiciels informatiques pour concevoir, simuler et optimiser des systèmes avant leur fabrication. La CAO permet aux ingénieurs de créer des modèles numériques en 2D ou 3D, de tester virtuellement leur fonctionnement et d’anticiper les problèmes de fabrication avant la production physique.
- [5] Arbre : c’est la tige (ou l’axe) sur laquelle sont fixées les roues dentées et les roues de la voiture. Son rôle est de transmettre le mouvement de rotation entre les différentes pièces du mécanisme.
- [6] Flambage : c’est lorsqu’une pièce longue et fine (comme notre ressort) se tord ou se plie sur le côté sous l’effet de la pression, au lieu de rester bien droite. Dans notre cas, cela créait des déformations irrégulières qui gênaient le bon fonctionnement du système.
- [7] Congé : c’est un arrondi créé entre deux surfaces ou deux arêtes d’une pièce. Il permet d’adoucir les angles, d’améliorer l’esthétique et parfois de renforcer la résistance mécanique de la pièce.