FIN DE LA PREMIERE PARTIE

(1)

Velo_pas_tsi Page 1 sur 16

VELO A ASSISTANCE AU PEDALAGE

Présentation de l’épreuve

Durée : 4 heures

Cette épreuve n’est pas une épreuve écrite, il n’est donc pas demandé de rédiger de compte rendu. Toutefois, les dessins, les schémas et les graphes utilisés comme illustration lors de la prestation orale doivent être élaborés avec soin.

Un dossier ressources et un dossier technique sont à votre disposition. Vous serez invité à consulter ces documents lors de l’épreuve.

Pour préparer les réponses aux activités posées, utiliser les feuilles remises comme brouillon en début d’épreuve. La qualité de la prestation orale est évaluée.

Une présentation des réponses aux activités 1 à 5 sera faite à l’examinateur dès que ces activités seront traitées (le signaler à l’examinateur). Pour cette présentation, vous vous appuierez sur le système lui-même, sur vos notes, vos schémas (il est inutile de reproduire les schémas présents dans le sujet).

Pendant le dernier quart d’heure de l’épreuve, et quel que soit l’état d’avancement de vos travaux, vous présenterez une conclusion orale (3 minutes maximum).

Vous vous attacherez à préciser les objectifs qui vous ont été fixés, à établir un bilan des activités menées et vous conclurez sur les résultats obtenus.

Cette conclusion doit vous permettre de montrer à l’examinateur vos capacités d’analyse et de synthèse du problème posé.

(2)

(3)

SOMMAIRE

1 UTILISER LE VELO YAMAHA PAS...4

2 VALIDER LA FONCTION FC4...5

2.1 Objectifs ...5

2.2 Une mesure dans le mode « SIMULATION – INHIBITION PAS »...5

3 JUSTIFIER LE CHOIX DU REDUCTEUR EPICYCLOIDAL DU PEDALIER ...6

3.1 Objectif ...7

3.2 Validation expérimentale ...7

3.3 Vérification théorique et conclusion ...7

4 VALIDER LES PERFORMANCES DE L’ASSISTANCE SOUHAITEES PAR LE CONSTRUCTEUR ...9

4.1 Le cahier des charges du constructeur ...9

4.2 Le fonctionnement du systeme PAS ...10

4.3 Vérification experimentale de la proportion d’assistance ...11

4.3.1 Vérification à 40 tr.min^-1...11

4.3.1.1 Détermination de P_élec puissance électrique absorbée par le moteur...11

4.3.1.2 Détermination de P_cycliste puissance fournie par le cycliste ...12

4.3.1.3 Détermination de Proue puissance au niveau de la roue...12

4.3.1.4 Conclusion...13

4.3.2 Vérification sur toute la plage d’utilisation ...14

5 VERIFIER QUE LE VELO A ASSISTANCE AU PEDALAGE RESPECTE LA LEGISLATION EN VIGUEUR...15

5.1 Objectif ...15

5.2 Mise en œuvre expérimentale...15

5.3 Analyse des résultats ...15

5.4 Conclusion ...16

6 PROPOSER DES EVOLUTIONS DE SOLUTIONS TECHNOLOGIQUES ...16

(4)

PREMIERE PARTIE

Objectifs de la première partie :

Les activités proposées, dans cette première partie, ont pour objectifs :

- d’apprécier votre compréhension de l’instrumentation qui équipe le vélo électrique MEDIA, - de valider les critères de la fonction de service FC4 « la vitesse maxi du vélo sous

assistance ne doit pas dépasser 24 km.h^-1 »,

- de justifier le choix du rapport de réduction du train épicycloïdal du pédalier.

À la fin de la première partie :

En vous limitant aux activités proposées, présenter une synthèse orale, selon un plan personnel, du travail effectué (il n’est pas demandé de répondre aux questions dans l’ordre proposé). La durée de cette présentation ne doit pas dépasser 10 minutes.

Pendant le temps de préparation, il ne faut pas hésiter à faire appel à un examinateur en cas de problème (lors de l’utilisation du matériel ou des logiciels, incompréhension des questions posées ou des manipulations proposées, ... ).

Dès que l’intervention orale est prête, le signaler à l’examinateur, puis passer à la suite sans attendre.

1 UTILISER LE VELO YAMAHA PAS

Afin de percevoir la fonction principale et les performances globales du vélo Yamaha PAS, utiliser la procédure « Mode PEDALAGE – SYSTEME PAS – sans acquisition » décrite dans le dossier ressources (DRES Annexe 1) pour réaliser un essai dans les conditions suivantes :

Procédure de l’essai :

• sélectionner dans le logiciel DIGIVIEW le projet « velo.ini»

• sélectionner la première vitesse du dérailleur (rapport de transmission = 1)

• procéder à une séquence de pédalage à environ 60 tr.min^-1 (à lire sur l’ordinateur de bord du trainer)

La simulation d’un effort résistant naturel est obtenue grâce à un trainer qui équipe le vélo. Un guide d’utilisation du trainer (dossier technique « DT Trainer ») ainsi qu’une description du vélo Yamaha PAS (dossier technique « DT Vélo Yamaha») sont à votre disposition. Pendant (ou après) l’essai, noter vos impressions sur les sensations au pédalage.

Activité 1

• Situer le trainer sur le système « Vélo électrique MEDIA » et exprimer sa (ou ses) fonction(s).

• Situer le système d’assistance électrique PAS sur le système « Vélo électrique MEDIA ».

Activité 2

• En utilisant les outils de communication technique de votre choix, montrer les flux de puissance qui circulent dans le vélo Yamaha PAS lors de son fonctionnement en mode normal (sélecteur PAS sur On).

(5)

2 VALIDER LA FONCTION FC4

2.1 OBJECTIFS

L’analyse fonctionnelle du système PAS (dossier technique « DT Vélo Yamaha ») a fait apparaître la fonction contrainte FC4 définie ci-dessous :

Respecter les normes de

sécurité Vitesse maxi du vélo sous assistance seule 24 km.h^-1

Le synoptique de la chaîne cinématique du système PAS (figure 1) précise l’agencement des blocs cinématiques qui participent à la transmission du mouvement du pédalier 12 (voir document ressource DRES FAST et dossier technique « DT Vélo Yamaha ») vers la roue arrière.

Figure 1 : Synoptique de la chaine cinématique du système PAS

Activité 3

• Quelle chaîne cinématique permet de vérifier cette fonction contrainte ? Activité 4

• Sachant que le moteur à courant continu du système PAS tourne au maximum à trois mille tours par minute, déterminer le rapport minimum entre la fréquence de rotation du rotor du moteur et celle de la roue arrière du vélo qu'il faudrait avoir pour respecter la fonction FC4.

2.2 UNE MESURE DANS LE MODE « SIMULATION–INHIBITIONPAS »

Procédure de l’essai :

Lancer le logiciel DIGIVIEW32 placé sur le bureau.

Dans Fichier / Charger projet, charger le fichier velo.ini qui est placé dans le dossier Config Velo sur le bureau conformément au tableau ci-contre :

Inhibition PAS 1 Alimentation carte Média

0

Système PAS 1

Pédalage 0

Simulation 1

Sélecteur vélo 1

(6)

Velo_pas_tsi Page 6 sur 16 Activité 5

Appliquer la procédure « Mode SIMULATION – INHIBITION PAS » décrite dans le dossier ressources (DRES Annexe 2) avec les conditions suivantes :

• sélectionner la quatrième vitesse du dérailleur

• générer, à l’aide du logiciel DIGIVIEW, un signal carré sur la voie 5 d’amplitude 2,5 Volts, d’offset 2,5 Volt et de fréquence 0,05 Hz avec une phase de 45°.

Déduire des mesures effectuées le rapport entre la vitesse de rotation du rotor du moteur et celle de la roue arrière du vélo.

Conclure sur la validation de la fonction FC4

3 JUSTIFIER LE CHOIX DU REDUCTEUR EPICYCLOIDAL DU PEDALIER

Fenêtre « Nroue »

Fenêtre « Nmoteur » Macro-commande

Générateur

(7)

3.1 OBJECTIF

Sur les vélos classiques, le plateau moyen comporte généralement 36 dents.

Sur le vélo MEDIA, le réducteur épicycloïdal installé entre le pédalier 12 et la couronne 8 (24 dents) constitue un premier étage de multiplication de vitesse.

L’objectif de cette étude est de valider le choix technique retenu pour le rapport de réduction du train épicycloïdal.

Activité 6

• Quelle doit-être la valeur ratt

du rapport de réduction du réducteur épicycloïdal pour que l’usager retrouve les mêmes sensations de pédalage qu’avec un vélo classique ?

3.2 VALIDATION EXPERIMENTALE

Activité 7

Appliquer la procédure « Mode PEDALAGE – SYSTEME PAS – avec acquisition » décrite dans le dossier ressources (DRES Annexe 2) avec les conditions suivantes :

• sélectionner la première vitesse du dérailleur (rapport de transmission = 1)

• procéder à une séquence de pédalage à environ 60 tr.min^-1 (à lire sur l’ordinateur de bord du trainer)

• lire la vitesse de la roue arrière dans la fenêtre 4 du projet « velo » ( VY3 Nroue) A partir des mesures effectuées précédemment (activité 4), compléter le tableau ci- dessous :

Comparer r_mes et r_att. Conclure et justifier le choix du constructeur d’installer un plateau de 24 dents.

3.3 VERIFICATION THEORIQUE ET CONCLUSION fréquence

de pédalage ω_12/0

fréquence de rotation de la roue

ω_roue/0

réduction chaîne-pignon-roue

1^ère vitesse : KT1=

fréquence de rotation pignon 8

ω_8/0

rmes =

60 tr.mn^-1 0,91

Figure 2 : Réducteur épicycloïdal du pédalier.

(8)

Velo_pas_tsi Page 8 sur 16 Activité 8 : A l’aide du dossier technique « DT Vélo Yamaha » et de la mallette « Système PAS » fournie,

• Compléter, sur le document réponse fourni, le schéma cinématique plan du système PAS.

• Déterminer le rapport . En déduire r_cal = . Comparer r_mes et r_cal. Conclure.

Schéma cinématique du système PAS

FIN DE LA PREMIERE PARTIE

Roue libre 1 Roue libre 2

(9)

DEUXIEME PARTIE

Objectifs de la deuxième partie :

Les activités proposées, dans cette seconde partie, ont pour objectifs :

- d’étudier l’assistance et quantifier les proportions d’assistance en fonction de la vitesse du cycliste

- de proposer une structure électronique du convertisseur statique réalisant la fonction modulation d’énergie en étudiant les transferts de puissance

- de proposer des solutions permettant d’augmenter l’autonomie de la batterie.

4 VALIDER LES PERFORMANCES DE L’ASSISTANCE SOUHAITEES PAR LE CONSTRUCTEUR

4.1 LE CAHIER DES CHARGES DU CONSTRUCTEUR

Le constructeur indique dans le tableau ci-dessous les proportions d’assistance fournies par le moteur en fonction de la vitesse du vélo.

L’étude qui suit se propose de vérifier les proportions de l’assistance fournies par le système en fonction de la vitesse du cycliste.

Remarquer qu’en ordonnée le constructeur appelle puissance de pédalage la puissance totale à la roue qui correspond à la hauteur du « bâton » gris + bleu. Les valeurs en pourcentage ont été calculées à partir des longueurs des bâtonnets et rajoutées sur le diagramme afin d’éviter des calculs fastidieux.

Puissance totale.

44%

20%

45%

33%

40%

37%

44%

40%

21%

16%

11%

3% 3%

(10)

4.2 LE FONCTIONNEMENT DU SYSTEME PAS

Le système P.A.S. est un système de transmission mécanique à deux entrées et une sortie. La puissance motrice sur la roue est la somme de deux puissances : la puissance musculaire fournie par le cycliste et une puissance électrique d’appoint apportée par un moteur électrique en fonction du couple de pédalage. (Se reporter au Document ressource DRES1 pour la nomenclature).

Lorsque l’assistance n’est pas en service, la puissance est fournie par le cycliste à travers l’axe (12) du pédalier. Cette puissance est transmise par l’intermédiaire du train épicycloïdal à la couronne (7), en liaison complète avec le pédalier (8). Un mécanisme roue libre complète la chaîne cinématique.

Lorsque l’assistance est en service, le moteur électrique (11) fournit une puissance d’appoint à la couronne (7) par l’intermédiaire d’un pignon conique (13) et d’un réducteur épicycloïdal à galets monté à la sortie du moteur. Un mécanisme à roue libre (3) évite de détériorer le moteur et de le transformer en dynamo, en le désaccouplant de la chaîne cinématique lorsque la fréquence de rotation devient trop importante.

La couronne (7) est l’élément central du système, elle fait office de sommateur en recevant les deux puissances et en redistribuant la somme de ces deux puissances au pédalier.

Schéma fonctionnel

Pour la suite, on retient l’hypothèse que les rendements η_mot et η_méca sont égaux à 1.

Activité 9 : Déterminer les expressions de :

• Pélec puissance absorbée par le moteur en fonction de Umoteur et Imoteur

• Pcycliste puissance fournie par le cycliste en fonction de Cp et

P

élec

η

^mot

P

_méca

P

cycliste

η

méca

P

roue

P

r

= C

r

ω

r

+ +

(11)

Velo_pas_tsi Page 11 sur 16 4.3 VERIFICATION EXPERIMENTALE DE LA PROPORTION D’ASSISTANCE

4.3.1 Vérification à 40 tr.min^-1

L’étude qui suit se limite à vérifier la proportion de l’assistance fournie par le système PAS pour une fréquence de pédalage du cycliste de 40 tr.min^-1.

Activité 10

Réaliser l’essai à la fréquence de pédalage de 40 tr.min^-1 dans les configurations suivantes :

Configuration matérielle :

Sélectionner sur l’ordinateur de bord : fréquence de pédalage Np (touche + pour basculement km/h, CAD, Watt)

Sélectionner pente (slope) 9.

Sélectionner la 4^ème vitesse sur le vélo.

Mettre le boîtier arrière du vélo PAS dans la configuration ci-contre.

Procédure d’essai :

Appliquer la procédure : Acquis / ACQUISITION / AD EXE.

Monter sur le vélo et pédaler à la fréquence de pédalage de Np = 40 tr.min^-1 (à visualiser sur l’ordinateur de bord) pendant 10 secondes.

Descendre du vélo et cliquer sur le bouton STOP de la fenêtre Acq.

Chaque mesure, réalisée par la carte DIGIMETRIE, est traitée grâce au logiciel DIGIVIEW. Les grandeurs mesurées sont une image en tension [0-5V] des grandeurs.

La puissance du moteur est de 240W, sa tension nominale d’alimentation est de 24V.

4.3.1.1 Détermination de Pélec puissance électrique absorbée par le moteur

Une méthode simple permettant de mesurer un courant est de placer une résistance ensérie avec le montage. Cette résistance R devra permettre d’obtenir une dynamique de sortie de 5V pour le courant maximal.

Activité 11

Déterminer l’ensemble des caractéristiques électriques de la résistance permettant la mesure du courant. Calculer notamment la puissance dissipée par celle-ci.

Donner les avantages et les inconvénients de cette méthode.

Sur le Vélo Yamaha PAS, la méthode retenue utilise un capteur à effet Hall placé autour du fil d’alimentation de l’induit du moteur électrique.

Activité 12

Rappeler le principe de fonctionnement d’une sonde à effet Hall.

Alimentation Carte Média Marche Commande Moteur Système PAS

Système PAS Pédalage

Sélecteur vélo ON

(12)

Velo_pas_tsi Page 12 sur 16 Justifier l’utilisation de ce capteur pour mesurer le courant électrique consommé par le moteur, en précisant les avantages et les inconvénients de cette méthode.

Activité 13

Relever à partir du logiciel DIGIVIEW, les valeurs de la tension Umoteur aux bornes du moteur et le courant Imoteur absorbé par le moteur.

À partir des résultats de l’expérimentation, calculer la puissance électrique Pélec

absorbée par le moteur.

4.3.1.2 Détermination de P_cycliste puissance fournie par le cycliste

• ωp en rad/s est calculée à partir de la fréquence de rotation du pédalier.

• La mesure de la tension aux bornes d’un potentiomètre (U_pot) permet d’obtenir une image du couple de pédalage Cp.

• Après des essais expérimentaux, la relation liant le couple de pédalage Cp en N.m à la tension Upot (exprimée en Volt) est Cp = 27,2.Upot –26,13.

Activité 14

Situer sur le système, le potentiomètre permettant de mesurer le couple de pédalage.

Relever à partir du logiciel DIGIVIEW, la valeur de la tension aux bornes du potentiomètre.

À partir des résultats de l’expérimentation, calculer la puissance mécanique Pcycliste

fournie par le cycliste.

4.3.1.3 Détermination de Proue puissance au niveau de la roue

• P_roue = C_roueωroue est calculée à partir des images de ωroue et C_roue

• Le couple au niveau de la roue est mesuré par l’intermédiaire d’un capteur à jauges de déformation qui permet d’obtenir une image de l’effort tangentiel à la roue.

• ωr en rad/s est à lire directement sur les résultats expérimentaux. Attention aux unités.

• Le schéma d’implantation du capteur d’effort tangentiel Ft est fourni ci-dessous.

(13)

Velo_pas_tsi Page 13 sur 16 Activité 15

Rappeler le principe de fonctionnement des jauges de déformation qui permettent de mesurer un effort.

Expliquer en utilisant une description sous forme de blocs fonctionnels, le principe de mesure de l’effort tangentiel Ft installé sur le Vélo instrumenté dont vous disposez.

Justifier que seul l’effort tangentiel Ft est l’image du couple de la roue.

Activité 16

Relever à partir du logiciel DIGIVIEW, la valeur de l’effort tangentiel au niveau de la roue et la vitesse de rotation de la roue.

À partir des résultats de l’expérimentation, calculer la puissance mécanique Proue

permettant de propulser le vélo et le cycliste.

4.3.1.4 Conclusion Activité 17

Analyser vos résultats par rapport à la figure donnant la répartition des puissances fournie par le constructeur.

Quantifier l’écart et discuter les variations notamment vis-à-vis des hypothèses formulées.

(14)

Velo_pas_tsi Page 14 sur 16 4.3.2 Vérification sur toute la plage d’utilisation

L’étude qui suit envisage de vérifier la proportion de l’assistance fournie par le système PAS sur toute la plage de fonctionnement du vélo.

Le protocole d’essai décrit ci-dessous, a permis d’obtenir la répartition des puissances donnée sur la figure 3.

Configuration matérielle : Pente 9 sélectionnée.

4^ème vitesse sur le vélo sélectionnée.

Boîtier arrière du vélo PAS dans la configuration ci-contre.

Augmentation progressive (sans à-coup) de la fréquence de pédalage de N_p = 30 à N_p=90 tours par minute en 20 secondes. Acquisition des données à l’aide du logiciel DIGIVIEW.

Figure 3 : Répartition des puissances

Activité 18

Commenter ce graphe en le comparant aux données constructeur. Les performances de l’assistance annoncées par le constructeur sont elles validées ?

Inhibition PAS 0

Alimentation carte Média 1

Système PAS 1

Pédalage 1

Simulation 0

Sélecteur vélo 1

(15)

5 VERIFIER QUE LE VELO A ASSISTANCE AU PEDALAGE RESPECTE LA LEGISLATION EN VIGUEUR

5.1 OBJECTIF

Pour respecter la législation en vigueur sur le port du casque, la vitesse du vélo en propulsion assistée ne doit pas excéder une vitesse limite V = 24 km.h^-1.

Pour une vitesse V > 24 km/h, le moteur à courant continu doit être inopérant.

Les objectifs de l’étude qui suit sont les suivants :

- vérifier que le vélo à assistance au pédalage respecte la législation

- justifier la solution technologique adoptée par le constructeur et proposer deux évolutions de solution technologique en vue d’optimiser la durée de vie de la batterie.

5.2 MISE EN ŒUVRE EXPERIMENTALE

Activité 19

Calculer la fréquence de pédalage permettant de dépasser une vitesse de déplacement du vélo de 24 km.h^-1.

Procéder à une séquence de pédalage en dépassant 24 km.h^-1 en 4^ème vitesse conformément à la procédure d’essai décrite ci- contre et ci-dessous.

Régler les autres paramètres sur l’ordinateur de bord qui permettent d’atteindre l’objectif.

Appliquer la procédure : Acquis / ACQUISITION / AD EXE.

Monter sur le vélo et pédaler pendant 5 secondes pour atteindre la vitesse de 24 km.h^-1. Descendre du vélo et cliquer sur le bouton STOP de la fenêtre Acq.

5.3 ANALYSE DES RESULTATS

Activité 20

Analyser la courbe du courant absorbé par le moteur, et déterminer l’instant où l’assistance devient inopérante.

Analyser la courbe de la fréquence de rotation de la roue, et vérifier que la législation est bien respectée.

Activité 21

Analyser la courbe de la fréquence de rotation du moteur et proposer une solution technologique permettant de justifier la déformation de la courbe au moment de la perte de l’assistance.

Inhibition PAS 0

Alimentation carte Média 1

Système PAS 1

Pédalage 1

Simulation 0

Sélecteur vélo 1

(16)

Velo_pas_tsi Page 16 sur 16 A l’aide de la mallette et du modèle numérique, détailler la solution technologique adoptée par le constructeur.

Analyser la courbe du courant absorbé par le moteur lorsque le cycliste pédale sans assistance.

Déterminer le mode de fonctionnement de la machine à courant continu lorsque l’assistance est inopérante.

5.4 CONCLUSION

Activité 22

Déterminer la structure de base du convertisseur statique permettant d’obtenir le fonctionnement analysé précédemment.

L’autonomie est-elle optimale avec les solutions technologiques retenues par le constructeur sur le vélo à assistance au pédalage dont vous disposez ?

6 PROPOSER DES EVOLUTIONS DE SOLUTIONS TECHNOLOGIQUES

Activité 23

Proposer une première modification du système permettant d’optimiser la distance de déplacement du vélo à assistance au pédalage sans changer les solutions technologiques retenues.

Donner les avantages et les inconvénients de cette modification.

Activité 24

Proposer une seconde modification du système permettant d’optimiser la distance de déplacement du vélo à assistance au pédalage en changeant certaines des solutions technologiques retenues.

Préciser alors la structure de base du convertisseur statique à utiliser.

Quelles conséquences cela produirait-il au niveau des sensations du cycliste ?

(17)

DRES Annexe 1.doc Page 1 sur 1 PROCEDURE « Mode PEDALAGE – SYSTEME PAS – Sans Acquisition»

Boîtier MEDIA configuré

1 Configurer boîtier MEDIA : MARCHE – PEDALAGE – SYSTEME PAS

Candidat sur la selle du vélo et 4^ème vitesse enclenchée

2 Monter sur la selle du vélo et régler 4^ème vitesse

SLOPE = +9

3 Régler la variable SLOPE du trainer sur 9 (Cf doc ressource)

Pédalage en cours

4 ^Pédaler

Sélecteur PAS sur On

5 Placer le sélecteur PAS sur On

Observations effectuées et sensations percues

6

SLOPE = 0

7 Régler la variable SLOPE du trainer sur 0 (Cf doc ressource)

Sélecteur PAS sur Off

8 Placer le sélecteur PAS sur Off

Mode PEDALAGE – SYSTEME PAS sans acquisition 0

Observer

Pédaler Observer

Pédalage en cours

9

Sélecteur PAS sur On

10

Observations effectuées

11

Sélecteur PAS sur Off

12 Placer le sélecteur PAS su Off Pédaler Observer

Placer le sélecteur PAS sur On Pédaler Observer

Pédaler Observer Sélectionner plusieurs vitesses du dérailleur

(18)

Transformer énergie humaine en énergie mécanique FT11

Adapter la vitesse de la roue FT12

Assurer la sécurité du cycliste FT13

Transmettre la puissance à la roue FT1

Fournir une puissance d’appoint en fonction du couple de pédalage FT2

Déterminer la puissance à fournir FT21

Mesurer le couple de pédalage FT22

Calculer la tension moteur FT23

Elaborer le signal de commande FT24

Transformer une énergie électrique en énergie mécanique FT3

Créer un couple moteur en fonction dusignal decommande FT31

Adapter la puissance FT32

Assurer la sécurité du moteur FT33

Ensemble axe de pédalier

Dérailleur NEXUS

Mécanisme adaptateur de couple

Modélisation de la partie commande sous Simulink Potentiomètre

Moteur électrique

Ensemble réducteur de vitesse

Roue libre pédalier

Roue libre coté moteur

Sommer les puissances FT4

Ensemble pignon moteur couronne dentée du pédalier

(19)

DT Velo YAMAHA.doc Page 1 sur 8

Vélo électrique YAMAHA PAS XPC 26

Dossier technique

(20)

Sommaire

1 LE PRODUIT ...3

2 ANALYSE FONCTIONNELLE PARTIELLE DU VELO YAMAHA XPC26...4

2.1 RAISON D’ETRE DU VELO ELECTRIQUE...4

2.2 GESTION DE L’ASSISTANCE...4

2.3 FONCTION DE SERVICE : ASSISTER UN CYCLISTE AU PEDALAGE...5

2.3.1 Les milieux extérieurs en phase de vie « assistance » ...5

2.3.2 Les fonctions de service ...6

2.3.3 Critères d’appréciation des fonctions de service ...6

2.3.4 Satisfactions des clients de bicyclettes classiques ...7

3 LA CHAINE D'ENERGIE ET LE SYSTEME PAS...7

3.1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT...7

3.2 GESTION DE L’ASSISTANCE...7

3.3 F.A.S.T. DU SYSTEME PAS ...7

3.4 SCHEMA FONCTIONNEL DU SYSTEME PAS...7

3.5 LE DERAILLEUR NEXUS ...8

3.6 RAPPORT DE CHAINE...8

(21)

1 LE PRODUIT

Depuis son invention, il y a près d’un siècle et demi, la bicyclette n’a cessé de suivre les évolutions technologiques liées aux principes de transmission de puissance, aux matériaux et à leur mise en forme. Jusqu’alors, seule l’énergie développée par le cycliste était motrice et celui-ci peinait lorsqu’il lui fallait fournir un effort important. Depuis 1997, la société japonaise Yamaha propose un produit dont le principe repose sur l’utilisation d’une énergie d’appoint qui prend en charge une partie du travail à fournir lorsque le pédalage devient difficile (démarrage, montées, vent de face …).

Le système d’aide au pédalage est un système commandé puisque son assistance dépend de :

- l’effort de pédalage ; - la vitesse de la bicyclette.

Ce nouveau concept de vélo utilise :

• Le système d’assistance électrique PAS (Power Assist System) développé par la société Yamaha. Ce système est monté sur l’axe de pédalier. Un sélecteur trois positions (Off – On – Eco) monté sur le guidon du vélo permet de couper ou non le système PAS.

• Un dérailleur Nexus 4 à trains épicycloïdaux et à frein intégré développé par la société Shimino. Ce dérailleur est situé dans le moyeu de la roue arrière. La sélection des vitesses pour le dérailleur Nexus 4 est manuelle.

• Une batterie NiCd de 24 V et 5 Ah facilement escamotable pour être rechargée en quelques heures sur simple prise de courant. Un indicateur de charge est placé sur le guidon du vélo permettant de connaître le taux de charge disponible.

Sélecteur du système PAS

Sélecteur de vitesse

Moteur Unité de commande du système PAS

Dérailleur Nexus Batterie

(22)

DT Velo YAMAHA.doc Page 4 sur 8 2 ANALYSE FONCTIONNELLE PARTIELLE DU VELO YAMAHA XPC26

2.1 RAISON D’ETRE DU VELO ELECTRIQUE

Assister le cycliste dans l’effort

2.2 GESTION DE L’ASSISTANCE

La gestion de l’assistance obéit aux principes suivants :

- jusqu’à 15 km/h, le système fournit une puissance égale à celle générée par le cycliste ;

- entre 15 et 24 km/h, l’assistance décroît progressivement au fur et à mesure que la vitesse augmente ;

- à partir de 24 km/h, l’assistance est nulle et seule la puissance du cycliste est motrice.

Le graphique ci-dessous, extrait d’une brochure commerciale, met en évidence la variation de l'assistance :

La puissance d’appoint est délivrée par le moteur électrique qui est commandé par le calculateur. Celui-ci transmet les consignes élaborées selon une loi préprogrammée en fonction de la puissance fournie par le cycliste (information collectée par l'intermédiaire de capteurs).

(23)

DT Velo YAMAHA.doc Page 5 sur 8 défini ci-contre :

Le temps de cycle est de 10 ms lorsque le cycliste ne demande pas la fin de l'assistance.

La faible durée du temps de cycle permet au constructeur de ne pas envisager une commande asservie tout en conservant une précision suffisante sur l'assistance. Ainsi, le moteur est commandé en boucle ouverte sans boucle de retour d'information au calculateur.

Pour respecter la législation sur le port du casque dans un certain nombre de pays, la vitesse du vélo en propulsion ne doit pas excéder 25 km/h. Le système de commande doit donc impérativement mettre hors tension le moteur d'assistance avant d'avoir atteint cette vitesse. Pour le confort de l'utilisateur, l'assistance doit s'interrompre de manière progressive.

Le constructeur présente la loi de commande en

fonction de la vitesse de la bicyclette lorsque le sélecteur de vitesses est en position 4 (quatrième vitesse) comme suit :

2.3 FONCTION DE SERVICE : ASSISTER UN CYCLISTE AU PEDALAGE

2.3.1 Les milieux extérieurs en phase de vie « assistance »

• Diagramme des inter-acteurs

Système P.A.S.

Cycliste Roue

Cadre

Milieu extérieur

Batterie FP1

FP2

FC1 FC2

FC3

Normes

FC4

E AU PEDALAGE Assistance

proportionnelle

Assistance

dégressive Assistance nulle

15 24

Vitesse de la bicyclette (km/h) k

0 1

(24)

• Les milieux extérieurs

Le cycliste Personne normalement constituée d’un âge supérieur à 16 ans Public visé : toute personne

Roue Equipée d’un pneu gonflé sur un vélo classique Cadre Cadre d’un vélo classique

Batterie 24 V, autonomie permettant de parcourir 30 Km à moyenne puissance Milieu

extérieur

Pluie, poussière, boue

La masse du système PAS doit rester inférieur à 7 kg 2.3.2 Les fonctions de service

FP1 Transmettre la puissance du cycliste à la roue.

FP2 Fournir une puissance d’appoint en fonction du couple de pédalage et de la vitesse

FC1 Résister à la corrosion et aux agressions du milieu extérieur.

FC2 S’adapter au cadre de la bicyclette FC3 Plaire au client

FC4 Respecter les normes de sécurité

2.3.3 Critères d’appréciation des fonctions de service Transmettre la puissance

du cycliste à la roue.

Capacité d’un cycliste peu entraîné

Effort sur une pédale pour obtenir l’assistance

Vitesse de croisière en fonction du relief

100 W en régime de croisière, 150 W maxi

< 150 Newtons

10 km/h en pente de 2°/horizontale

15 km/h sur le plat Fournir une puissance

d’appoint en fonction du couple de pédalage et de la vitesse du cycliste.

Capacité moteur Loi d’assistance

Autonomie sur terrain plat

235 W (24 Volts)

Conforme à la règlementation 30 km minimum

Résister à la corrosion et aux agressions du milieu extérieur.

Etanchéité à la pluie Etanchéité aux poussières Corrosion

Protégé contre les projections d’eau

Pas de pénétration de corps étrangers (Φ=5µm)

Pas d’amorce de corrosion avant 7000 km

S’adapter au cadre de la bicyclette.

Masse du système PAS Encombrement

Localisation des points d’encrage

< 7 kg

Longueur, largeur, hauteur :

< 320, 150, 100

Doit s’adapter à la bicyclette Yamaha

Plaire au client Mener une enquête auprès des consommateurs Respecter les normes de

sécurité

Vitesse maxi du cycliste sous assistance seule

24 km.h^-1

(25)

DT Velo YAMAHA.doc Page 7 sur 8 2.3.4 Satisfactions des clients de bicyclettes classiques

Une étude des satisfactions "client" a montré que les rapports des vitesses sur les vélos classiques étaient satisfaisants et que les puissances à transmettre aux pédales ne devaient pas changer.

3 LA CHAINE D'ENERGIE ET LE SYSTEME PAS

3.1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

Le système PAS est un système de transmission mécanique à deux entrées et une sortie. La puissance motrice sur la roue est la somme de la puissance musculaire fournie par le cycliste et de la puissance électrique d'appoint fournie par un moteur à courant continu 11. Cet apport complémentaire de puissance est fonction du couple de pédalage et de la fréquence de rotation de la couronne 7 (Z7= 69 dents).

Lorsque l'assistance n'est pas en service, toute la puissance est fournie par le cycliste à travers l'axe de pédalier 12. Cette puissance est transmise par l'intermédiaire du train d’engrenages à la couronne 7 (Z7= 69 dents), en liaison encastrement avec le pédalier 8. Un mécanisme roue libre complète la chaîne cinématique.

Lorsque l'assistance est en service, le moteur à courant continu 11 fournit une puissance d'appoint à la couronne 7 (Z7= 69 dents) par l'intermédiaire d'un pignon conique 13 et d'un réducteur épicycloïdal à galets monté à la sortie du moteur. Un mécanisme à roue libre 3 évite de détériorer le moteur et de le transformer en dynamo, en le désaccouplant de la chaîne cinématique lorsque la fréquence de rotation devient trop importante.

3.2 GESTION DE L’ASSISTANCE

Le couple de pédalage est déterminé à partir du déplacement angulaire du levier 18 monté sur le planétaire 6 (Z₆= 33 dents). Ce planétaire est partiellement arrêté en rotation par le ressort 14 qui se comprime plus ou moins suivant le couple de pédalage ; le décalage angulaire est alors enregistré par le potentiomètre 10 qui transmet l'information à un calculateur.

À couple de pédalage constant, lorsque la fréquence de rotation de la couronne 7 (Z7= 69 dents) augmente, la puissance d'appoint diminue et éventuellement le moteur est désaccouplé.

3.3 F.A.S.T. DU SYSTEME PAS (dossier ressources)

3.4 SCHEMA FONCTIONNEL DU SYSTEME PAS (dossier ressources)

(26)

DT Velo YAMAHA.doc Page 8 sur 8 Le schéma cinématique ci-dessous représente la modélisation adoptée pour l’étude cinématique des 2^ème, 3^ème ou 4^ème vitesses du dérailleur Nexux4.*

Le passage des différentes vitesses (2^ème, 3^ème et 4^ème) s’effectue en bloquant un des trois planétaires par rapport au bâti.

3.6 RAPPORT DE CHAINE

Le rapport de la chaîne est de 0,91 Nature des liaisons

Complète Pivot

Vitesse a b c a b c

2 X X X

3 X X X

4 X X X

Rapport de transmission

Première vitesse

Deuxième vitesse

Troisième vitesse

Quatrième vitesse

Ki= 1 0,80 0,66 0,54

Roue 28 lié à la roue arrière pour les 2^ème, 3^ème et 4^èmevitesse

Pignon arrière b

Cadre 0 a c

Schéma cinématique du dérailleur Nexus

(27)

DT Velo électrique MEDIA.doc Page 1 sur 5

Vélo électrique instrumenté Média

Dossier technique

Sommaire

1 PRESENTATION DU BANC DE MESURE ... 2 2 BANC DE MESURE MEDIA... 3

3 LES MESURES ... 4 3.1 SYNOPTIQUE DE CABLAGE DU BANC DE MESURE... 4 3.2 INSTRUMENTATION DU SYSTEME P.A.S. ... 5

(28)

DT Velo électrique MEDIA.doc Page 2 sur 5 1 LE BANC DE MESURE

La société Media commercialise un banc de mesure du vélo Yamaha PAS dont les principaux constituants sont :

• un vélo Yamaha PAS sur lequel :

- les signaux « tension du moteur à courant continu », « intensité du moteur à courant continu » et « tension du capteur de mesure de l’effort de pédalage » sont prélevés et envoyés au boîtier MEDIA.

- un capteur de vitesse de rotation du moteur à courant continu a été placé dans le prolongement de l’arbre moteur. Le signal de sortie de ce capteur est envoyé au boîtier MEDIA.

• un boîtier électronique MEDIA qui :

- met en forme les divers signaux en vue d’une acquisition de ceux-ci par une carte électronique implantée dans le micro-ordinateur.

- permet, grâce aux interrupteurs situés sur sa face arrière, de travailler selon les trois modes suivants :

o le mode « PEDALAGE – SYSTEME PAS» : au cours d’une séquence normale d’utilisation (avec cycliste et le sélecteur PAS sur On), 6 grandeurs physiques sont mesurables par la carte d’acquisition Digimétrie

o le mode « SIMULATION – SYSTEME PAS» : un effort de pédalage est alors simulé. Pour cela, la carte Digimétrie, via le boîtier MEDIA, envoie un signal à l’unité de commande du système PAS à la place de celui du capteur d’effort de pédalage. 6 grandeurs physiques sont toujours mesurables. Aucun cycliste n’est nécessaire.

o le mode « SIMULATION – INHIBITION PAS » : l’unité de commande du système PAS est alors inhibé. Pour cela, la carte Digimétrie, via le boîtier MEDIA, envoie un signal au moteur à courant continu du système PAS à la place de celui de l’unité de commande du système PAS. 6 grandeurs physiques sont toujours mesurables. Aucun cycliste n’est nécessaire.

• un trainer « Tacx Cycleforce », principalement constitué d’un simulateur de résistance, qui comporte un capteur de vitesse de rotation de la roue arrière. Le signal de sortie de ce capteur est prélevé et envoyé au boîtier MEDIA.

• un capteur d’effort tangentiel Ft implanté sur le simulateur de résistance du trainer. Le signal de sortie de ce capteur d’effort est envoyé au boîtier MEDIA.

• une carte d’acquisition Digimétrie. Implantée dans le micro-ordinateur, elle comporte 7 voies d’Entrée/Sortie analogiques.

o 6 de ces voies sont configurées en entrée et permettent d’acquérir 6 tensions électriques, images des grandeurs physiques prélevées sur le banc.

o une voie est configurée en sortie. Elle est utilisée en mode « simulation ».

• un micro-ordinateur. Muni du logiciel « Digiview32 », il permet l’exploitation des données d’Entrée/Sortie de la carte Digimétrie.

(29)

DT Velo électrique MEDIA.doc Page 3 sur 5 2 BANC DE MESURE MEDIA

Trainer Batterie

Face arrière du boîtier Média

- Capteur d’effort tangentiel

Système PAS

Capteur de vitesse de rotation Moteur du système PAS boîtier Média

Boite de vitesse NEXUS

Ordinateur de bord Information : - Vitesse en km. h^-1 -Cadence de pédalage -Puissance du cycliste Réglage :

- Freinage du trainer par courant de Foucault

(30)

DT Velo électrique MEDIA.doc Page 4 sur 5 3 LES MESURES

3.1 LE CABLAGE DU BANC DE MESURE

Faces avant et arrière

P.A.S.

Signal V5

- V0 : U potentiomètre - V1 : U Moteur - V2 : I moteur - V3 : N roue - V4 : Ft roue - V6 : N moteur

(31)

DT Velo électrique MEDIA.doc Page 5 sur 5 3.2 INSTRUMENTATION DU SYSTEME P.A.S.

Une acquisition avec la carte Digimétrie montre que ce système est équipé de 6 capteurs.

Chaque capteur envoie un signal électrique sous la forme d’une tension, qui correspond à l’image de la grandeur mesurée :

• sur la voie 0, image de la tension du potentiomètre de mesure du couple de pédalage Cp

• sur la voie 1, image de la tension du moteur à courant continu,

• sur la voie 2, image de l’intensité du moteur à courant continu,

• sur la voie 3, image de la vitesse de rotation de la roue arrière,

• sur la voie 4, image de l'effort tangentiel appliqué sur la roue arrière,

• sur la voie 6, image de la vitesse de rotation du moteur à courant continu.

Pour les voies 0,1 et 2, le signal est capté et envoyé dans la carte Media située dans le boîtier fixé sur le porte-bagages.

Pour la voie 3, le signal du trainer, qui permet d’obtenir la vitesse en sur l’afficheur fixé sur le guidon, est envoyé lui aussi à la carte Media.

Ces signaux sont filtrés puis envoyés à la carte Digimétrie.

Remarque : La voie 5 correspond au signal qui est généré depuis la carte Digimétrie et qui est envoyé au boîtier de commande.

(32)

Page 1 sur 3

DOSSIER RESSOURCE

UTILISATION DU TRAINER TACX

CYCLEFORCE

(33)

Page 2 sur 3

UTILISATION DU TRAINER TACX CYCLEFORCE

Le trainer « Tacx Cycleforce » est utilisé sur le banc MEDIA pour simuler une résistance sur la roue arrière du vélo Yamaha PAS.

Ce trainer est principalement constitué :

• d’un cadre pliable sur lequel est fixée la roue arrière du vélo

• d’un simulateur de résistance monté sur le cadre pliable

• d’un capteur de cadence monté sur le cadre du vélo

• d’un ordinateur de bord monté sur le guidon du vélo

Ordinateur de bord

1 Trois types de données sont enregistrés et visualisables par l’ordinateur de bord :

• la vitesse du vélo (en km.h^-1)

• la puissance totale fournie (en Watt)

• la cadence de pédalage (en tr.min^-1)

Avec les touches + et – vous pouvez commuter le visuel de vitesse à puissance et ainsi de suite.

Exemple d’affichage Capteur de cadence

Cadre pliable Simulateur de résistance

Affichage de la vitesse (km.h^-1) Affichage de la puissance

totale (Watt)

Touches + et -

(34)

Page 3 sur 3

2 Avec le trainer, il est possible de simuler une résistance sur la roue arrière du vélo. Cela se fait sur l’ordinateur de bord au moyen de la variable SLOPE. Cette variable agit sur le rouleau du simulateur. Le constructeur a défini quatorze paliers de résistance, c’est-à- dire que la variable SLOPE peut varier de – 4 à + 9.

Après avoir pressé sur la touche SET, vous verrez clignoter dans l’angle inférieur gauche la résistance en montée (SLOPE), qui est réglée d’usine sur 0. Avec les touches + et -, vous pouvez faire varier la résistance de – 4 à + 9. En appuyant ensuite sur la touche MODE, vous pourrez fixer le nouveau paramètre de résistance.

Le simulateur de résistance est réalisé à partir d’un frein à courants de FOUCAULT installé sur l’axe du « home trainer ».

Affichage de la résistance en montée (SLOPE)

Touche SET Touches + et - Touche MODE

(35)

Velo_pas_tsi_cor 1/13 1/13

ELEMENTS DE CORRECTION PREMIERE PARTIE

Activité 1

• Situer le trainer sur le système « Vélo électrique MEDIA » et exprimer sa (ou ses) fonction(s).

• Situer le système d’assistance électrique PAS sur le système « Vélo électrique MEDIA ».

Réponse 1 :

Fonctions du trainer :

Simuler un effort résistant pour simuler les pentes.

(36)

flux de puissance qui circulent dans le vélo Yamaha PAS lors de son fonctionnement en mode normal (sélecteur PAS sur On).

Réponse 2 :

Les flux de puissance sont représentés ici par les courbes fléchées

La couronne est une pièce maîtresse des deux chaînes d'énergie, elle somme les deux puissances.

Activité 3

• Quelle chaîne cinématique permet de vérifier cette fonction contrainte ?

Activité 4

• Sachant que le moteur à courant continu du système PAS tourne au maximum à trois mille tours par minute, déterminer le rapport minimum entre la fréquence de rotation du rotor du moteur et celle de la roue arrière du vélo qu'il faudrait avoir pour respecter la fonction FC4.

Réponse 4 :

En faisant l'hypothèse de roulement sans glissement entre la roue et le sol, on obtient la relation suivante :

(37)

Le rapport minimum que l'on doit obtenir pour respecter la fonction FC4 est donc de

Activité 5

Appliquer la procédure « Mode SIMULATION – INHIBITION PAS » décrite dans le dossier ressources (DRES Annexe 2) avec les conditions suivantes :

• sélectionner la quatrième vitesse du dérailleur

• générer, à l’aide du logiciel DIGIVIEW, un signal carré sur la voie 5 d’amplitude 2,5 Volts, d’offset 2,5 Volt et de fréquence 0,05 Hz avec une phase de 45°.

Déduire des mesures effectuées le rapport entre la vitesse de rotation du rotor du moteur et celle de la roue arrière du vélo.

Conclure sur la validation de la fonction FC4

Réponse 5 :

Par analyse des rapports, la fonction FC4 est respectée.

Activité 6

• Quelle doit-être la valeur ratt du rapport de réduction du réducteur épicycloïdal pour que l’usager retrouve les mêmes sensations de pédalage qu’avec un vélo classique ?

Réponse 6 :

Le plateau 8 du système PAS possède 24 dents d'où ratt=36/24=1,5

Pour garder le rapport habituel, il est possible que ce rapport soit de ratt=1,5.

Activité 7

Appliquer la procédure « Mode PEDALAGE – SYSTEME PAS – avec acquisition » décrite dans le dossier ressources (DRES Annexe 2) avec les conditions suivantes :

• sélectionner la première vitesse du dérailleur (rapport de transmission = 1)

• procéder à une séquence de pédalage à environ 60 tr.min^-1 (à lire sur l’ordinateur de bord du trainer)

• lire la vitesse de la roue arrière dans la fenêtre 4 du projet « velo » ( VY3 Nroue) A partir des mesures effectuées précédemment (activité 4), compléter le tableau ci- dessous :

Comparer r_mes et r_att. Conclure et justifier le choix du constructeur d’installer un plateau de 24 dents.

(38)

La valeur mesurée est proche de celle attendue. Donc, dans les conditions de l’expérimentation, on peut dire que le cycliste ressentira les mêmes sensations que sur un vélo classique.

Le constructeur a sans doute choisi d’installer un plateau de 24 dents pour des raisons d’encombrement.

Activité 8 :

A l’aide du dossier technique « DT Vélo Yamaha » et de la mallette « Système PAS » fournie,

• Compléter, sur le document réponse fourni, le schéma cinématique plan du système PAS.

• Déterminer le rapport . En déduire rcal = . Comparer rmes et rcal. Conclure.

Réponse 8 :

A partir du rapport du train épicycloïdal et de la relation : on tire:

fréquence de pédalage

ω12/0

fréquence de rotation de la roue

ωroue/0

réduction chaîne-pignon-roue

1^ère vitesse : KT1=

fréquence de rotation pignon

8 ω8/0

r_mes =

60 tr.mn^-1 Proche de 87

tr.min^-1 0,91 60/0,91=66 1,35

(39)

On trouve théoriquement un rapport de 1,48.

La différence entre rmes et rcal résulte sans doute de l'étalonnage des capteurs. L'hypothèse émise à l'activité 6 est vraie.

Par conséquent, le cycliste ressentira les mêmes sensations que sur un vélo classique.

Le choix du constructeur est probablement basé sur l’encombrement du pédalier.

FIN DE LA PREMIERE PARTIE

(40)

Activité 9 : Déterminer les expressions de :

• Pélec puissance absorbée par le moteur en fonction de Umoteur et Imoteur

• Pcycliste puissance fournie par le cycliste en fonction de Cp et

Réponse 9 :

Dans le cas d’une tension et d’un courant continu (ou en valeur moyenne sur une période) la puissance électrique absorbée par la machine à courant continu peut s’exprimer sous la forme Pélec=U I.

La puissance fournie par le cycliste est celle au niveau du pédalier, elle peut donc s’exprimer par Pcycliste=CpΩp.

Activité 10

Réaliser l’essai à la fréquence de pédalage de 40 tr.min^-1 dans les configurations suivantes :

Réponse 10 :

Activité 11

Déterminer l’ensemble des caractéristiques électriques de la résistance permettant la mesure du courant. Calculer notamment la puissance dissipée par celle-ci.

(41)

Réponse 11 :

Les caractéristiques des résistances sont tout d’abord, la valeur ohmique de la résistance, la puissance maximale dissipée par celle-ci, et sa tolérance.

Valeur ohmique :

On souhaite avoir 5 V lorsque le courant est nominal. Or la puissance du moteur est de 240W pour une tension de 24V, donc le courant I vaut 10A.

La résistance ohmique aura donc pour valeur R=5/10=0,5Ω.

La puissance dissipée par cette résistance est de 0,5.10² = 50W. Cette puissance est très importante devant celle mise en jeu sur le vélo (Pactionneur = 240W).

Pour obtenir une image fiable du courant absorbé, il sera très certainement nécessaire de prendre une résistance de tolérance de l’ordre de 1%.

Avantages : Mise en place aisée. Linéarité de la mesure.

Inconvénients : Nécessité d’une mesure différentielle aux bornes de la résistance. Pertes de puissance trop importante. Modification du fonctionnement de la machine à courant continu, en terme de vitesse de rotation et de puissance absorbée.

Activité 12

Rappeler le principe de fonctionnement d’une sonde à effet Hall.

Justifier l’utilisation de ce capteur pour mesurer le courant électrique consommé par le moteur, en précisant les avantages et les inconvénients de cette méthode.

Réponse 12 :

Un capteur à effet hall donne un signal lorsqu' il détecte un champ magnétique ou une pièce métallique. La tension de Hall (du nom de celui qui remarqua le phénomène en 1879) est amplifiée dans le capteur.

Si un courant Io (parfaitement connu) traverse un barreau en matériau conducteur ou semi- conducteur, et si un champ magnétique d'induction B (créé par le courant i(t) à mesurer circulant dans un fil) est appliqué perpendiculairement au sens de passage du courant, une tension Vh, proportionnelle au champ magnétique B et au courant Io, apparaît sur les faces latérales du barreau.

Les électrons sont déviés par le champ magnétique, créant une différence de potentiel appelée tension de Hall. Le champ magnétique B déforme la trajectoire des électrons car il engendre une force de LORENTZ .

Vh = Kh * B * Io avec Kh: constante de Hall.

La Constante de HALL étant inversement proportionnelle à la densité des porteurs, la tension de HALL est beaucoup plus importante dans les semi-conducteurs que dans les métaux.

Activité 13

Relever à partir du logiciel DIGIVIEW, les valeurs de la tension Umoteur aux bornes du moteur et le courant Imoteur absorbé par le moteur.

À partir des résultats de l’expérimentation, calculer la puissance électrique Pélec

absorbée par le moteur.

(42)

A partir des relevés expérimentaux on trouve : Umoteur = 14V et Imoteur = 6A

La puissance absorbée par le moteur à courant continu est Pélec = Umoteur.Imoteur = 84W.

Activité 14

Situer sur le système, le potentiomètre permettant de mesurer le couple de pédalage.

Relever à partir du logiciel DIGIVIEW, la valeur de la tension aux bornes du potentiomètre.

À partir des résultats de l’expérimentation, calculer la puissance mécanique Pcycliste

fournie par le cycliste.

Réponse 14 :

A partir des résultats expérimentaux on trouve Upot = 1,5V.

Le couple de pédalage Cp est donné par la relation C_p = 27,2.U_pot –26,13. Donc Cp=24,67N.m.

L’essai a été réalisé en maintenant une fréquence de pédalage de 40 tr.min^-1. La puissance fournie par le cycliste est donc Pcycliste = Cp.Ωp = 55W.

Activité 15

Rappeler le principe de fonctionnement des jauges de déformation qui permettent de mesurer un effort.

Expliquer en utilisant une description sous forme de blocs fonctionnels, le principe de mesure de l’effort tangentiel Ft installé sur le Vélo instrumenté dont vous disposez.

Justifier que seul l’effort tangentiel Ft est l’image du couple de la roue.

Réponse 15 :

Une jauge de déformation est un montage en pont de 4 résistances. Une ou deux de ces résistances sont sensibles à l’effort à mesurer, tandis que les deux autres sont insensibles.

On peut démontrer que la tension générée par ce montage en pont est proportionnelle (par un développement limité au premier ordre) à l’effort.

Levier Potentiomètre

Mécanisme de mesure du couple de pédalage

Roue

Déplacement de l’ensemble

arbre du rouleau et du

coulisseau

Déformatio n des 4

lames souples

Déformation du capteur

d’effort

Croue Ft Variation

des résistances

du pont

Variation de tension image du couple

Croue

(43)

trainer. Cet effort provoque un léger déplacement du coulisseau car les 4 lames souples permettent un léger déplacement.

La translation du coulisseau vient déformer le capteur d’effort, et ainsi provoquer une variation des 2 résistances du pont. Ceci provoque ainsi une variation de tension image de l’effort tangentiel Ft.

(composantes exprimées sur la base )

Le couple au niveau de la roue n'est donc provoqué que par l'effort tangentiel Ft.

Activité 16

Relever à partir du logiciel DIGIVIEW, la valeur de l’effort tangentiel au niveau de la roue et la vitesse de rotation de la roue.

À partir des résultats de l’expérimentation, calculer la puissance mécanique Proue

permettant de propulser le vélo et le cycliste.

Réponse 16 :

La valeur de l’effort tangentiel mesuré à partir de l’expérimentation est Ft = 54N.

La puissance mécanique au niveau de la roue Proue a pour expression Proue = Croue.Ωroue. La vitesse angulaire est calculée à partir de Nroue, et vaut Ωroue = 7,85 rad.s^-1.

La puissance au niveau de la roue vaut donc : Proue = 141,5W.

Activité 17

Analyser vos résultats par rapport à la figure donnant la répartition des puissances fournie par le constructeur.

Quantifier l’écart et discuter les variations notamment vis-à-vis des hypothèses formulées.

A

B

Ft

Fn Roue

arrière