BREVET DE TECHNICIEN SUPERIEUR CONCEPTION DE PRODUITS INDUSTRIELS SESSION 2013 EPREUVE U51 MODELISATION ET COMPORTEMENT DES PRODUITS INDUSTRIELS DOSSIER TRAVAIL 1 - Etude cinématique du train avant 1-1 Schéma cinématique du mécanisme......................................................page 1/7 1- 2 Validation du comportement cinématique attendu de la suspension....................page 2/7 2 - Etude du comportement du triangle inférieur 2- 1 Détermination des actions mécaniques du sol sur les pneus......................pages 3 et 4/7 2-2 Détermination des actions mécaniques s’appliquant sur le triangle inférieur..........page 4/7 2-3 Etude des sollicitations du triangle inférieur...................................pages 5 à 7/7 ________________________________Train avant de moto JBB________________________________________ Ce dossier comporte 7 pages. Temps conseillé Lecture du sujet .........................................................................0h20 1-1 Schéma cinématique du mécanisme ......................................................0h50 1- 2 Validation du comportement cinématique attendu de la suspension......................1h00 2 - Etude du comportement du triangle inférieur 2- 1 Détermination des actions mécaniques du sol sur les pneus............................0h45 2-2 Détermination des actions mécaniques s’appliquant sur le triangle inférieur........... 0h25 2-3 Etude des sollicitations du triangle inférieur........................................ 0h40 CPE5MC Train avant de moto JBB Session 2013 La particularité de la moto JBB METISS réside dans l’originalité de son train avant. En effet, contrairement à une moto classique, les fonctions de direction et de suspension sont dissociées. La suspension se rapproche ainsi beaucoup de l’architecture utilisée d’ordinaire sur les voitures de sport (doubles triangles de suspension), tandis que la direction utilise une succession de biellettes pour transmettre les mouvements du guidon jusqu’à la roue (voir dossier technique). Le but de ce travail sera de valider ce mécanisme d’un point de vue cinématique puis de vérifier la tenue face aux efforts engendrés en course. 1 - Etude cinématique du train avant Objectif: Vérifier que la cinématique particulière du train avant JBB permet de réduire les variations de l’angle de chasse et de l’empattement au freinage. 1.1 - Schéma cinématique du mécanisme Dans cette partie, la moto est étudiée à l’arrêt. Question 1 : DT3, DT4, DTK), DT 11, DT12, DT13, DR1 A l’aide des plans d’ensemble DT10 à DT13, tracer sur le document réponse 1 le schéma cinématique minimal en perspective du dispositif de suspension et de contrôle de la direction (train avant complet). Utiliser une couleur par groupe cinématique Pour cette question : - On considère que le châssis (associé aux points Dd, Dg, Td, Tg, H, S) est fixe. - La liaison entre le triangle inférieur et le châssis (points Dd et Dg) sera modélisée par une seule liaison équivalente située sur le plan médian de la moto (point D). - La liaison entre le triangle supérieur et le châssis (points Td et Tg) sera modélisée par une seule liaison équivalente située sur le plan médian de la moto (point T). - L’amortisseur ne sera pas représenté. CPE5MC Document travail 1/7 Train avant de moto JBB Session 2013 La version précédente de la METISS prévoyait deux liaisons « rotule » aux points Dd et Dg. Pour faciliter le changement de pneus lors de l’arrêt au stand, les concepteurs ont été amenés à placer deux roulements à billes accolés au niveau du point Dd. Cela évite à la roue de « tomber » lors du démontage, en supprimant des degrés de liberté dans la liaison entre le châssis et le bras droit du triangle de suspension inférieur, (voir DT7). Question 2 : Sur la feuille de copie, reproduire et compléter le schéma cinématique copie correspondant à la nouvelle liaison entre le triangle inférieur et le châssis en vue de dessus. Calculer le degré d’hyperstaticité de ce nouvel assemblage. Compte tenu du degré d’hyperstaticité obtenu, proposer une série de conditions géométriques à respecter lors de l’étude afin de garantir un montage satisfaisant. 1.2 - Validation du comportement cinématique attendu de la suspension Lors du freinage, la charge appliquée à la roue avant est augmentée considérablement ce qui entraîne l’enfoncement de l’amortisseur. Sur une moto classique, cela réduit l’angle de chasse de la moto ce qui est favorable à la maniabilité. Mais l’empattement se réduit également, au détriment de la stabilité. Par ailleurs, cela rapproche aussi le point d’appui de la roue avant sur le sol par rapport au centre de gravité (ce qui limite la décélération au freinage). La conception de la METISS cumule les avantages en réduisant l’angle de chasse tout en limitant les variations d’empattement, réduisant ainsi ces défauts de comportement. Le but de cette partie est de déterminer quantitativement la réduction de ces défauts. Pour les questions suivantes, on prendra le châssis comme élément de référence (le train avant et le sol bougent par rapport au châssis qui reste immobile). Question 3 : Le document réponse 2 montre la moto en position « normale » c'est-à-dire en DT5, DR2 ligne droite à vitesse constante. Préciser, par une cote chiffrée, la valeur de l’empattement. ; ; Question 4 : Sur ce schéma (document réponse 2), identifier par un trait d’axe qui sera DT5, DR2 nommé Ai, l’axe de direction de la roue lors de la manipulation du guidon. Préciser les noms des points par lesquels passe cet axe. Mesurer la valeur de l’angle de chasse ai. Question 5 : L’amortisseur étant comprimé de 50 mm lors du freinage, déterminer DR2 graphiquement la valeur du nouvel empattement et indiquer sa cote chiffrée. Laisser les traits de construction apparents au crayon de papier et tracer en couleur la nouvelle position des solides qui composent le train avant. Question 6 : Tracer la droite À2 (axe de direction en position enfoncée) et mesurer l’angle DR2, DT5 7 feï.'iî Triangle inférieur Levier de direction Amortisseur de direction (facultatif) Combiné amortisseur de suspension Triangle supérieur Etrier de frein Combiné amortisseur de suspension Bras latéral porte-roue Triangle supérieur Biellette de direction principale Biellette de direction secondaire Bras latéral porte-roue Il s’agit en effet d’une suspension à deux triangles superposés. La commande de direction s’effectue par biellettes articulées. Levier de direction Etrier de frein Triangle inférieur Guidon Dossier Technique CPE5MC DT4 1.5 Cinématique de direction Dossier Technique CPE5MC DTS Angle de chasse a 2-DEFINITIONS 2.1 Géométrie d’une moto conventionnelle L'axe de direction est l’axe de pivotement de la fourche. Sa position par rapport au châssis est invariable sur une moto conventionnelle. L’angle de chasse est l’angle entre la verticale et l’axe de direction. La chasse au sol est la distance entre le point de contact du pneu avant et le point d'intersection de l’axe de direction avec le sol. Chasse au sol (ou trainée) Empattement L’empattement est la distance entre l’axe de roue arrière et l’axe de roue avant, projetée au sol. Le déport est la distance entre le centre de la roue avant et l’axe de direction. Généralement, l’axe de coulissement de la fourche est parallèle à l’axe de direction et le déport est ainsi constant. 2.2 Remarques : L’angle de chasse ou la chasse au sol sont des paramètres qui évoluent en fonction de l’enfoncement des suspensions (et donc de l’inclinaison du châssis). Ils sont indiqués habituellement pour une assiette « neutre » ou « standard » du véhicule : moto posée sur ses roues sur un plan horizontal, sans charge supplémentaire (sans pilote). Pour des raisons de confort de conduite, on accepte une variation de 4° maxi lors du freinage afin de limiter la différence de maniabilité. La valeur de la chasse au sol conditionne la stabilité de la moto. Elle est importante à l'accélération lorsque la suspension avant est détendue (assiette cabrée). Elle est plus faible lorsque la suspension est enfoncée au freinage (assiette plongeante), favorisant ainsi la maniabilité en entrée de virage. 3 - ANALYSE FONCTIONNELLE 3.1 Diagramme « pieuvre » APTE FP1 : Assurer la liaison au sol de la roue avant et le guidage de la moto. FC1 : Recevoir et transmettre les manœuvres de l’utilisateur. FC2 : Assurer la compatibilité avec le reste de la moto pour une parfaite tenue de route de l’ensemble. FC3 : Ne pas risquer de blesser l’utilisateur ou d’autres personnes. FC4 : Respecter les normes en vigueur. FC5 : Respecter le milieu extérieur et lui résister. Dossier Technique CPE5MC DT6 3.3 Diagramme FAST partiel Dossier Technique CPE5MC DT7 4 - Etude « Eléments Finis » du triangle inférieur Le modèle réalisé est un assemblage ce qui permet de simuler les sollicitations avec réalisme. La pièce étudiée est le triangle inférieur (modélisé de manière simplifiée comme une pièce unique). Les chargements et liaisons sont mis en place sur les pièces périphériques : rotules et roulements. Nota du modèle triarvÿj friferiou*fot«ft Nom de réiucte: Buds 1 Type do U ad : Sîefcque contrerto rodais Contrœrtssl Echoie de déformsSon. 68.713 von Mises (NAn'î) 1214242848.0 196389616.0 178538368.0 . 160683120.0 1 142829872.0 124976624.0 107123376.0 89270136.0 71416888.0 53563640.0 35710396.0 17857150.0 3903.3 Remarque : Pour permettre le démontage de la jante, le triangle inférieur est formé de deux bras tubulaires reliés par une vis. Le bras de gauche pivote grâce à la rotule le reliant au châssis. z Figure 4 Dossier Technique CPE5MC DT8 34 1 Rotule 100 Cr6 Unibal Schaublin SSA 14-50 33 2 Roulement à billes 15*32*9 SKF 6002 32 1 Circlip interne 034 SEFI 80.0340 31 1 Circlip interne 032 SEFI 80.0320 30 2 Écrou bas H M20*2 29 1 Embout pour rotule C35 28 1 Embout pour roulements C35 27 1 Bras gauche triangle inférieur C35 Mécano soudé 26 1 Bras droit triangle inférieur C35 Mécano soudé 25 8 Écrou frein à embase H M6 24 8 Vis CHC M6-30 23 8 Bobinettes C35 22 2 Vis CHC M12-20 21 2 Vis CHC M12-50 20 2 Vis CHC M12-55 19 1 Barrette de liaison étrier 7075 18 1 Platine support étrier 7075 17 1 Étrier de frein à 4 pistons AP Racing AP CP 5200 16 1 Disque de frein Fonte J.L. MARIN Racing 15 1 Pneu 125 - 17 Dunlop 14 1 Jante 3,5 * 17 pouces PVM 13 1 Bras latéral porte-roue C40 Mécano soudé 12 4 Vis CHC Ml0-25 11 4 Vis CHC M8-16 10 4 Doigt d’entrainement 30CrNiMo8 09 1 Circlip interne 035 SEFI 80.0350 08 1 Rotule 100 Cr6 INA - Trempé chromé GE 17 FO 07 1 Bague d’arrêt filetée 2017 06 1 Roulement à billes 100*125*13 SKF 61820 05 1 Roulement à billes 95*120*13 SKF 61819 04 1 Écrou conique 2017 03 1 Bol porte-disque 2017 02 1 Moyeu 34CrMo4 01 1 Noix porte-moyeu 7075 Rep Nb Désignation Matière Observations Référence Ech : -ta-® Train avant de moto JBB Format: A4 n° DT 8 00 Dossier Technique CPE5MC DT9 69 1 Colonne de direction 2017 68 2 Roulement à rouleaux coniques SKF 32004 67 1 Axe de colonne de direction 7075 66 1 Amortisseur de direction 65 1 Tube gauche 2017 64 1 Tube droit 2017 63 1 Té inférieur 7075 62 1 Té supérieur 7075 61 1 Levier de direction C40 Mécano soudé 60 1 Châssis treillis C40 Mécano soudé 59 1 Bague filetée triangle supérieur C35 58 1 Triangle supérieur C40 Mécano soudé 57 1 Amortisseur avant Ôhlins 46 PRXLS 56 1 Écrou frein M14 55 2 t Ecrou frein M8 54 1 Axe triangle supérieur / pivot rectifié 53 1 Axe direction / pivot rectifié — 52 1 Axe triangle supérieur gauche rectifié 51 1 Axe triangle supérieur droit rectifié 50 1 Axe levier direction rectifié 49 2 Roulement à aiguilles 16x24x13 SKF RNA 4901 48 2 Roulement à billes 12x28x12 SKF 63001 47 2 Écrou bas H Ml0x1 à gauche 46 2 Écrou bas H Ml0x1 à droite 45 1 Biellette de direction secondaire 44 1 Biellette de direction principale 43 1 Embout à rotule Ml6x1,5 à gauche Unibal Danielson SMLGM 16 52 42 2 Embout à rotule Ml0x1 à gauche Unibal Danielson SMLGM 10 52 41 2 Embout à rotule Ml0x1 à droite Unibal Danielson SMGM 10 52 40 1 Plaque sabot gauche 7075 39 1 Plaque sabot droit 7075 38 1 Vis CHC M12-70 37 1 Vis CHC M12-80 36 1 Sabot gauche 7075 35 1 Sabot droit 7075 Rep Nb Désignation Matière Observations Référence Ech : ■C3 -® Train avant de moto JBB Format: A4 DT 9 00 CPE5MC Dessiné par : Date : Echelle:! :2 A3 Moto Metiss JBB METI$S_plans Bras latéral porte-roue DTI 2 Page 3 sur 4 3 4 QpE5Mc -------------------------- . PATENT TECHNICIAN DESIGN INDUSTRIAL PRODUCTS SESSION 2013 TEST U51 MODELING AND PERFORMANCE OF INDUSTRIAL PRODUCTS FILE WORK 1 - Study kinematics of the front axle Figure 1-1 kinematic mechanism ........................................... ........... page 1/7 1- 2 Validation of the expected kinematic behavior of the suspension .................... page 2/7 2 - lower triangle of behavior study 2- 1 Determination of soil mechanical actions on tires ...................... pages 3 and 4/7 2-2 Determination of the mechanical actions that apply to the lower triangle .......... page 4/7 2-3 Study of the stress of the lower triangle ................................... pages 5 to 7/7 ________________________________Train Before JBB________________________________________ motorcycle This file includes 7 pages. recommended time Reading about ............................................... .......................... 0:20 Figure 1-1 kinematic mechanism ........................................... ........... 0:50 1- 2 Validation of the expected kinematic behavior of the suspension ...................... 1:00 2 - lower triangle of behavior study 2- 1 Determination of soil mechanical actions on tires ............................ 0:45 2-2 Determination of the mechanical actions that apply to the lower triangle ........... 0:25 2-3 Study of the stress of the lower triangle ........................................ 0:40 CPE5MC Train motorcycle before JBB session 2013 The peculiarity of the motorcycle JBB METISS lies in the originality of its front end. Indeed, unlike a conventional motorcycle, the functions of steering and suspension are separated. The suspension is similar and much of the architecture used usually on sports cars (double wishbones), while management uses a succession of links to transmit the movements of the handlebars to the wheel (see technical file ). The purpose of this work is to validate the mechanism of a kinematic point of view and verify the resistance towards the forces generated in the race. 1 - Study kinematics of the front axle Objective: Ensure that the special kinematics of the front axle JBB reduces variations of the caster angle and wheelbase braking. 1.1 - Diagram of kinematic mechanism In this part, the bike is designed to stop. Question 1: DT3, DT4, DTK), DT 11, DT12, DT13, DR1 Using all plans DT10 to DT13, draw on the response document 1 kinematics minimum perspective diagram of the suspension system and steering control (front axle complete). Use a color kinematic unit For this question: - It is considered that the frame (associated with Dd points Dg, Td, Tg, H, S) is fixed. - The connection between the lower wishbone and the chassis (Dd points Dg) will be modeled by a single equivalent bond located on the median plane of the motorcycle (D). - The connection between the upper wishbone and the chassis (point Td and Tg) will be modeled by a single equivalent bond located on the median plane of the motorcycle (point T). - The shock will not be represented. CPE5MC Working Document 1/7 Train motorcycle before JBB session 2013 The previous version of the two links provided METISS "ball" to Dg and Dd points. To facilitate the change of tires at the pit stop, designers have had to place two ball bearings joined at point Dd. This prevents the wheel "fall" during dismantling, removing degrees of freedom in the connection between the frame and the right hand lower wishbone (see DT7). Question 2: On the copy sheet, reproduce and copy the complete kinematic diagram corresponding to the new connection between the lower triangle and chassis in top view. Calculate the degree of indeterminacy of the new assembly. Given the degree of indeterminacy obtained propose a series of geometric conditions to be observed during the study to ensure satisfactory mounting. 1.2 - Validation of the expected behavior of the suspension kinematics During braking, the load applied to the front wheel is increased dramatically which results in the shock absorber. On a classic motorcycle, it reduces the caster angle of the bike which is good maneuverability. But the wheelbase is also reduced at the expense of stability. Moreover, it also approaches the fulcrum of the front wheel on the ground with respect to the center of gravity (which limits the braking deceleration). The design combines the advantages METISS reducing the caster angle while minimizing variations of wheelbase, reducing these defects behavior. The purpose of this part is to determine quantitatively the reduction of such defects. For the following questions, we take the frame as a reference point (the front and the floor move relative to the frame which remains stationary). Question 3: 2 response document shows the bike in position "normal" that is to say, DT5, DR2 straight line at constant speed. Specify, by a numerical rating, the value of the wheelbase. ; ; Question 4: In this diagram (response document 2), identified by a centerline will be DT5, DR2 named Ai, the steering axis of the wheel when handling the handlebars. Specify the names of the points through which this axis. Measuring the value of the caster angle was. Question 5: The shock absorber is compressed to 50 mm during braking, DR2 graphically determine the value of the new wheelbase and indicate its numerical rating. Leave the apparent construction lines with a pencil and draw the new color solid position that make up the front end. Question 6: Draw the right A2 (steering axis in depressed position) and measuring the angle DR2, DT5 7 feï.'iî lower triangle Steering lever Steering Damper (optional) suspension damper combined Triangle superior Caliper suspension damper combined wheel carrier side arm triangle top Link, main direction Link to secondary direction wheel carrier side arm This is indeed a suspension with two superimposed triangles. The steering control is by articulated rods. Steering lever Caliper Triangle inferior Handlebar Technical file CPE5MC DT4 1.5 steering kinematics Technical file CPE5MC DTS Rake has 2-DEFINITIONS 2.1 Geometry of a conventional motorcycle The steering axis is the axis of pivoting of the fork. Its position relative to the frame is invariable on a conventional motorcycle. The caster is the angle between the vertical and the steering axis. The hunting ground is the distance between the contact point of the front tire and the intersection of the steering axis with the ground. Hunting ground (or drag) wheelbase The wheelbase is the distance between the rear axle and front axle, thrown to the ground. The offset is the distance between the center of the front wheel and the steering axis. Generally, the sliding axis of the fork is parallel to the axis direction and the offset is thus constant. 2.2 Notes: The angle of hunting or hunting ground are parameters that change according to the driving suspensions (and thus the inclination of the chassis). They are usually given for a "neutral" attitude or "standard" vehicle: motorcycle resting on its wheels on a horizontal plane, without additional charge (without driver). For driving comfort reasons, it accepts a variation of 4 ° or less during braking in order to limit the difference in handling. The ground hunting value determines the stability of the bike. It is important to speed when the front suspension is relaxed (nose up attitude). It is lower when the suspension is pressed braking (plunge base), thus promoting the workability on corner entry. 3 - FUNCTIONAL ANALYSIS 3.1 Diagram "octopus" FIT FP1: Ensure the ground connection of the front wheel and guide the bike. FC1: Receive and transmit the maneuvers of the user. FC2: Ensure compatibility with the rest of the bike for perfect handling of the whole. FC3: Do not risk injury to the user or others. FC4: Respect the standards. FC5: Observe the surroundings and resist. Technical file CPE5MC DT6 3.3 Diagram partial FAST Technical file CPE5MC DT7 4 - Study "FE" of the lower triangle The realized model is an assembly which simulates the stresses realistically. The study room is the lower triangle (modeled in a simplified manner as a single piece). Loads and links are set up on the peripheral parts: ball joints and bearings. Note the model triarvÿj friferiou * fot "ft réiucte Name: Buds 1 Type U do ad: Sîefcque contrerto RODAIS Contrœrtssl Echoie of déformsSon. 68713 von Mises (NAn'î) 1214242848.0 196389616.0 178538368.0. 160683120.0 1 142829872.0 124976624.0 107123376.0 89270136.0 71416888.0 53563640.0 35710396.0 17857150.0 3903.3 Note: For removing the rim and the lower triangle is formed by two tubular arms connected by a screw. The left arm swings through the ball connecting it to the chassis. z Figure 4 Technical file CPE5MC DT8 Kit 34 1 100 Cr6 Unibal SSA Schaublin 14-50 33 2 Ball Bearing 15 * 32 * 9 SKF 6002 32 Internal Circlip 1 034 80.0340 SEFI January 31 Circlip internal 032 80.0320 SEFI February 30 low Nut H M20 * 2 January 29 Tip for spherical C35 January 28th cap for C35 bearings 27 January arm left lower triangle C35 welded Mécano January 26 lower triangle right arm C35 welded Mécano 25 8 Nut brake flange H M6 August 24 CHC screws M6-30 August 23 spools C35 February 22 CHC screws M12-20 February 21 CHC screws M12-50 February 20 CHC screws M12-55 January 19 connecting bracket Barrette 7075 18 January 7075 Platinum caliper bracket January 17 Brake caliper 4-piston AP Racing AP CP 5200 16 1. Brake Disc Fonte MARIN JL Racing January 15 Tire 125-17 Dunlop January 14 Rim 3.5 * 17 inch PVM 13 January arm side wheel carrier C40 welded Mécano December 4 screws CHC Ml0-25 April 11 CHC screws M8-16 April 10 Training Finger 30CrNiMo8 January 9 internal Circlip 035 80.0350 SEFI January 8 Ball 100 Cr6 INA - Forged chrome GE 17 FO January 7 threaded stop ring 2017 January 6 ball bearing 100 * 125 * 13 SKF 61820 May 1 Ball bearing 95 * 120 * 13 SKF 61819 April 1 conical nut 2017 1 March 2017 Bowl disc holder February 1 Hub 34CrMo4 1 January 7075 Nuts hub carrier Rep Number Designation Comments Reference Material Scale: ta-Train ® motorcycle before JBB Format: A4 No. DT August 00 Technical file CPE5MC DT9 69 1 2017 Steering Column 68 2 Tapered Roller Bearing SKF 32004 67 1 7075 steering column shaft 66 1 Steering Damper 65 1 Left Tube 2017 1 64 Straight Tube 2017 63 1 lower triple 7075 62 1 7075 top tree 61 1 Lever C40 welded Mechanical management 60 1 trellis frame welded Mechanical C40 59 1 Threaded ring triangle top C35 58 1 Triangle higher C40 welded Mécano 57 1 Front shock absorber Ohlins 46 PRXLS 56 1 Brake Nut M14 55 2 t brake nut M8 54 1 Axis upper triangle / pivot rectified 53 1 Axis address / Corrected pivot - 52 1 Axe upper left triangle rectified 51 Axe 1 triangle top right rectified 50 Axis 1 lever towards rectified 49 2 Needle bearing 16x24x13 SKF RNA 4901 48 2 Ball Bearing 12x28x12 SKF 63001 47 Nut H 2 lower left Ml0x1 46 2 H Ml0x1 nut low right 1 Link, 45 secondary direction 44 1 Link, main direction 43 1 Rod end Ml6x1,5 left Unibal Danielson SMLGM 16 52 42 2 Rod end Ml0x1 left Unibal Danielson SMLGM October 52 41 2 Rod end Ml0x1 right Unibal Danielson SMGM October 52 40 1 plate left hoof 7075 39 1 7075 plate right shoe 38 1 screw CHC M12-70 37 1 screw CHC M12-80 36 1 Sabot left 7075 35 1 7075 law Sabot Rep Number Designation Comments Reference Material Scale: ■ C3 -® Train before JBB motorcycle Format: A4 September 00 DT CPE5MC Designed by: Date: Scale :! 2 A3 Moto Metiss JBB METI $ S_plans wheel carrier side arm DTI 2 Page 3 of 4 3 4 QpE5Mc