Préindustrialisation - BELABBES BESROUR DUFRENE LUGRIN 2

Conception de Systèmes
µ2 parcours Systèmes - CM3 v.2021
Projet – Données de sortie de simulation CREO

Coupe-Branche Autonome – Système maneton-coulisseau
Hamza Belabbes – Youssef Besrour – Victor Dufrêne – Magaux Lugrin
0- Pièce d’étude
Nous étudions à présent en conception détaillée le coulisseau du coupe-branche autonome (CBA).
Sa géométrie type est représentée ci-dessous.
Figure 1 : Représentation de la transformation de mouvement de type Maneton-Coulisseau
Modélisation CAO
A l’aide de Creo, on se propose de modéliser le fonctionnement de ce système en flexibilité 0 et de
consulter certaines données de sortie à partir des données d’entrée suivantes :
Liaison « palier » dans Creo
Coulisseau (62 mm)

Maneton (20 mm)
Bâti (40 mm)

Pivot Excentrique Pivot Lame
Figure 2 : Schématisation du maneton-coulisseau et entraxes de départ
Projet de conception – Coupe branches CM3-Travaux dirigés

1- Données issus de simulation cinématique et dynamique avec CREO
Paramètre notation unité Flex

0 1
Diamètre de branche maxi Db_max mm 25 25
Position du point d’application PNT0 / 0,5 0,5
d’effort (abscisse curviligne)
Effort de coupe maxi Fc_max N 1500 1700
Temps de coupe t_c s 2 1
Angle des lames/références Dec_α ° -20 -20
Tableau 1 : Données d’entrée du système selon la Flexibilité

Liaison Adhérence µs Glissement µk R de contact
Pivot excentrique 0,20 0,12 5 mm
“Palier” maneton-coulisseau 0,01 (résistance au 0,15 (résistance au A définir
(galet roulant dans rainure) roulement) roulement)
Pivot bielle sortie 0,20 0,15 5 mm
Tableau 2 : Données de frottement (valeurs de départ à affiner ensuite)
Etape n°1 : On remplit le Tableau 3 grâce aux simulations cinématique et dynamique réalisées sur
Creo.
On optimise alors Lexcentrique ( ∆ α =65°)=21,5025 mm
Paramètre notation unité Flex Table

au 3 : 0 1
Débattement des lames α ° 65 65
Longueur de l’excentrique Lex mm 21,50 21,50
Vitesse de rotation maxi lame ωlame_max °/s
Vitesse du maneton/coulisseau V man mm/s
Vitesse de rotation maxi maneton Ωman_max °/s
Vitesse de rotation excentrique ωex °/s
Distance pivot lame / point de coupe dpt_coupe mm
Couple de coupe maxi Cc_max mNm 1800
Couple maxi sur l’excentrique Cex_max mNm 23000 23000
Effort longitudinal man / coul max TX_coul_max N 10 11
Effort transversal man / coul max TY_coul_max N 1058 1058
Données de sortie du système selon la Flexibilité
2/22
- Etape n°2 : Dimensionnement de l’arbre de la liaison maneton-coulisseau (Flexibilité

1)
On a TY_coul_max = 1058 N, un coefficient de sécurité s=2, et σ y =900 MPa
On a donc un axe de diamètre d >2,28 mm . On choisit d=6 mm.
- Etape n°3 : Dimensionnement de la liaison pivot (Flexibilité 1)

La solution retenue est d’utiliser un palier lisse P14 (coussinet avec collerette).
En utilisant la documentation de PERMAGLIDE, on remplit le tableau suivant pour un diamètre
intérieur D i=6 mm ,puisque le coussinet et monté serré sur l’axe.
Di (mm) Do (mm) B(mm) −1

V Coussinet (m. s ) p( MPa) pV ( MPa . m. s−1 ) pmax ( MPa)
4 44 2,64 1606
6 8 0,06
7 25 1,5 1214
6 8 0,06
6 8 8 0,06 22 1,32 1135
Tableau 4 : Tableau pour choix du bon coussinet P14
- Etape n°4 : Dimensionnement du coulisseau (Flexibilité 1)

Afin de dimensionner le coulisseau, plusieurs points sont à prendre en compte. Ainsi, nous
allons tout d’abord déterminer le point d’application des forces sur le brin du coulisseau, ce dernier
subit une contrainte de flexion. On pourra par la suite étudier le type de matériau à utiliser pour le
logement de la liaison entre le maneton et le coulisseau.
Ici, la contrainte de Von Mises est σ_VM=σ_flexion car on n’a pas de sollicitation ni en torsion ni
en traction/compression.
On trouve, après des calculs détaillés dans le rapport technique, que h ≥

√ 12. F .l
σ y.b
=9.25 mm.
On prendra donc une épaisseur de 10mm.
3/22
Le second brin aura donc une épaisseur de 5mm. Ainsi, le coulisseau aura une géométrie telle
que celle sur l’image ci-dessous :
Figure 2 : Modélisation sur Creo et dimension du coulisseau
2- Choix avancé de matériau et cycle de vie
Il est essentiel de choisir un matériau adéquat pour le coulisseau : au vu des contraintes

subies par le coulisseau et du cahier des charges, on cherchera dans un premier temps à maximiser
la limite d’élasticité tout en diminuant la masse volumique du produit. On obtient alors le graphe
4/22
suivant :
Acier à haute teneur en carbone
1000
100
Limite élastique (MPa)
10
0,1
0,01
10 100 1000 10000

Masse Volumique (kg/m^3)
Figure 3 : Diagramme des classes de matériaux en fonction de leur masse volumique et de leur limite
d’élasticité
Nous avons alors choisis de nous orienter vers des aciers faiblement alliés ou des aciers a
haute teneur en carbone grâce à la comparaison du prix au kilogramme de chaque matériau :
5/22
Acier à haute teneur en carbone Acier faiblement allié
1000
100
Limite élastique (MPa)
10
0,1
0,01
0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000

Prix (EUR/kg)
Figure 3bis : Diagramme des classes de matériaux en fonction de leur prix et de leur limite d’élasticité
Pour faire un choix de matériau plus fin, il était nécessaire de passer au niveau 3 du logiciel
EduPack. Après n’avoir sélectionné que les catégories de matériaux que nous avions pré-
sélectionnés, nous avons lancé une étude comparative du prix en fonction de la limite élastique de
chaque catégorie de matériaux :
0,95
0,9
0,85
Price (EUR/kg)
0,8
0,75
0,7
0,65
Carbon steel, AISI 1095, oil quenched & tempered at 205°C
600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350
Yield strength (elastic limit) (MPa)
Figure 4 : Diagramme avancé des matériaux en fonction de leur prix et de leur limite d’élasticité
6/22
Nous remarquons alors que la quasi-totalité des matériaux sont dans la même zone (Entre
800 et 1000 MPa). Puisque l’acier est totalement recyclable, on choisira n’importe quel acier, nous
avons donc choisis un acier à haute teneur en carbone. (0,95%) qui possède les caractéristiques
suivantes :
Figure 5 : Caractéristiques de l’acier à haute teneur en carbone choisi
7/22
Cycle de vie
Nous devons fabriquer une série de 13000 coulisseaux. Pour cela, à l’aide de l’éco-Audit
d’EduPack, nous avons modélisé le cycle de vie du coulisseau. Le site d’arrivé des matériaux sera
l’ENSMM. Nous avons alors la modélisation suivante :
Figure 6 : Modélisation du matériau, de la fabrication, de la fin de vie et utilisation globale de la pièce
Néanmoins, nous avons fait une étude comparative de différents sites de production et de différents
modes de transport :
Figure 7 : Différents modes de transports et différentes localisations de la production
8/22
On obtient alors l’étude comparative suivante :
Figure 7 : énergie consommée et empreinte carbone en fonction des différents transports
Pour conclure, nous remarquons que pour ce qui est du transport, l’énergie consommée et
l’empreinte carbone sont beaucoup plus importantes pour la production en Chine que pour la
production en France, et bien plus importante en avion qu’en bateau. Cependant, pour la fabrication
en France, l’empreinte carbone et l’énergie consommée sont un peu plus élevés pour la fabrication et
beaucoup plus élevés pour le matériau que pour une fabrication en Chine. Il vaut tout de même mieux
fabriquer en France qu’en Chine pour avoir une empreinte carbone et une énergie consommée plus
faibles. Vous trouverez en annexe un exemple de rapport complet d’EcoAudit (celui du fret aérien).
3- Cotation du coulisseau (Flexibilité 1)
9/22
Figure 8 : Cotation du coulisseau
10/22
4- Etude de fabrication de la pièce

- Etape n°1 : Obtention du matériau dans sa forme brute (plaque, barre, poudre ?) – cf.
étape précédente
Plaque laminée épaisseur 10 (0,+0,2) : attention état de surface fourni
Sinon plaque laminée épaisseur 11 puis surfaçage en fraisage sur chaque plan (sup, inf) de la bielle
Autres options :
- Feedstock pour moulage (granulés)
- Lopins pour forgeage
- Etape n°2 : Mise en forme de la pièce (épaisseur, contours, trous … ?)
prix unitaire maxi (€) (dans

Masse Epaisseur Tolérance Rugosité
Procédé Formes economic attribute sur
(kg) (mm) (mm) Ra (µm)
edupack)
Découpage Plaque plane

OK 0.1-13 0.015-0.8 0.5-12.5 2
mécanique quelconque
Lopin puis
Forgeage pièce avec OK 3-200 0.1-0.3 0.8-3.2 5
collerette
Découpage Plaque plane

OK 0.1-50 0.05-1 1-10 NOK
laser quelconque
Découpe Plaque plane

OK 6-150 0.5-2.54 12-128 NOK
plasma quelconque
Moulage OK OK 2-50 0.5-1 6.3-12.5 NOK
Le procédé de fabrication le plus intéressant semble donc être le forgeage, au vu de la complexité de

la pièce.
- Etape n°3 : Finition éventuelles (reprise de surfaces fonctionnelles … ?)

Reprise en usinage à l’outil coupant : fraisage sur les faces et chanfreinage de l’extrusion.
11/22
- Etape n°4 : Gamme d’usinage
PHASE 100 DOCUMENT PREVISIONNEL DE PHASE
Etabli par : Elément : Coulisseau Repère :

Projet : CBA Ensemble : Brut :
Machine-outil : Fraiseuse 3 axes Montage :
MIP principale Appui plan
MIP secondaire Linéaire réctiligne
MIP tertiaire Ponctuelle
Observations
Désignation des opérations Outils Paramètres de coupe

Vc (m/min) fz (mm/tour) a (mm)
Dressage Fraise 2 tailles

Surfaçage Fraise à surfacer 1T ou 2T Ø30 mm
Alésage ébauche 1 Alésoir Ø13 mm
Alésage finition Alésoir Ø13.01 mm
Dressage ébauche 1 Fraise 2 tailles

Dressage finition Fraise 2 taille
12/22
5- Synthèse technique
Lors de ce projet, nous avons pu appréhender chaque étape de conception des différentes pièces de
la liaison maneton-coulisseau. Tout d’abord, nous avons dimensionné l’axe du maneton sur la
lisaison avec le coulisseau, pour pouvoir ensuite réfléchir à la solution à adopter pour cette liaison. En
effet, nous avons choisi le palier lisse, car les efforts subis étaient trop peu élevés pour une utilisation
de roulements.
Nous avons ensuite dû dimensionner le galet, composé d’un coussinet (nous avons fait notre choix
parmi la gamme de produits de Permaglide) et d’une bague montée serrée sur le coussinet. Cela
nous a permis de faire un premier pas vers la conception du coulisseau. En effet, le choix de la bague
nous donnait la largeur des brins du coulisseau.
Nous avons par la suite déterminé l’épaisseur des brins du coulisseau grâce notamment à un calcul
de contrainte équivalente. Nous avions à présent toutes les informations sur les pièces, il a donc fallu
dimensionner les liaisons. Pour la liaison entre le coulisseau et la lame mobile, nous avons choisi un
montage avec un transmission à cannelures en développante de cercle, ce qui permet un
montage/démontage facile de la lame, et pourrait peut-être aussi respecter les exigences de la flex 2
(une étude serait néanmoins à effectuer pour s’en assurer).
Pour la pré-industrialisation, nous avons commencé par sélectionner un matériau en particulier. Tout
d’abord, nous avons effectué des premiers affinages grâce à des courbes de la limite élastique en
fonction du prix au kilo et de la masse volumique. Cela a permis d’isoler la catégorie des aciers. Pour
terminer ce choix, nous avons comparé les aciers avec une courbe du prix en fonction de la limite
élastique, pour enfin porter notre choix sur un acier à haute teneur en carbone, l’AISI 1095.
Nous avons ensuite étudié où faire fabriquer la pièce, et comment la livrer. Après une analyse des
différents sites de production (entre la France et la Chine principalement) et les différents modes de
transport, notre décision a été de fabriquer la pièce en France et de la livrer par camion à l’ENSMM.
Pour la fabrication de la pièce, nous avons opté pour un forgeage, qui est bien plus économique
qu’un moulage pour une série de 13000 pièces (le prix reste tout de même assez élevé). Nous
effectuons ensuite une étape sur une fraise 3 axes pour du dressage, du surfaçage, des
perçages/alésages et autres finitions (un chanfrein par exemple).
Voici un aperçu du modèle CAO :
13/22
Figure 9 :Modèle CREO du CBA
Malheureusement, lors d’une modification de la maquette, des paramètres que nous n’avons pas
réussi à identifier ont perturbé les simulations, et nos valeurs n’étaient pas exploitables car
évidemment fausses. Ce problème est survenu une fois toutes les pièces dimensionnées, c’est pour
cela que l’application numérique du choix des liaisons et que le tableau de l’étape 1 ne sont pas
remplis.
La répartition des tâches a été la suivante :
Margaux : Dimensionnement de l’arbre du maneton, choix des matériaux et rédaction du rapport.

Youssef : Dimensionnement du galet, éco conception et étapes de fabrication.
Victor : Dimensionnement du coulisseau, maquette et simulations CREO, cotation du coulisseau.
Hamza : Dimensionnement des liaisons.
14/22
Annexes
Annexe 1 : EcooAudit cycle de vie coulisseau avec transport aérien
Rapport Eco Audit
Nom de produit Coulisseau
Pays d'utilisation Europe
Durée de vie du produit (années) 2
Résumé :
Détails relatifs à la Détails relatifs à l’empreinte CO2

consommation d’énergie
Énergie Énergie Empreinte CO2 Empreinte CO2

Étape
(MJ) (%) (kg) (%)
Matériau 3,37e+04 18,1 2,51e+03 18,6
Fabrication 2,41e+04 13,0 1,81e+03 13,3
15/22
Transport 1,05e+05 56,2 7,53e+03 55,6
Utilisation 2,24e+04 12,0 1,61e+03 11,9
Élimination 1,18e+03 0,6 82,8 0,6
Total (pour premier cycle de vie) 1,86e+05 100 1,35e+04 100
Fin de vie potentielle -1,93e+04 -1,38e+03
16/22
Rapport Eco Audit
Résumé
Analyse énergétique
Énergie (MJ/an)
Charge environnementale annuelle équivalente (moyenne sur 2 ans de durée de vie du 9,3e+04
produit) :
Décomposition détaillée des étapes individuelles du

cycle de vie
Matériau : Résumé
Teneur Masse
Masse totale Énergie
Composant Matériau recyclée* partielle Qté. %
(kg) (MJ)
(%) (kg)
Carbon steel, AISI 1095, oil

1300
Coulisseau quenched & tempered at % typique 0,13 1,7e+03 3,4e+04 100,0
0
205°C
1300
Total 1,7e+03 3,4e+04 100
0
*Standard : Inclut la 'fraction recyclée de l’alimentation en courant'
Fabrication : Résumé
Énergie
Composant Procédé Quantité traitée %
(MJ)
17/22
Extrusion, laminage de feuilles

Coulisseau 1,7e+03 kg 2,4e+04 100,0
minces
Total 2,4e+04 100
Transport : Résumé
Décomposition par étape de

transport
Distance Énergie
Nom d’étape Type de transport %
(km) (MJ)
Camion j'usqu'a Shanghai Camion de 32 tonnes (4 essieux) 9e+02 1,4e+03 1,4
Avion jusqu'a paris Fret aérien - long-courrier 9,3e+03 1e+05 97,7
Camion jusqu'à ENSMM Camion de 26 tonnes (3 essieux) 5e+02 9,3e+02 0,9
Total 1,1e+04 1e+05 100
Décomposition par
composants
Masse Énergie
Composant %
(kg) (MJ)
Coulisseau 1,7e+03 1e+05 100,0
Total 1,7e+03 1e+05 100
Utilisation : Résumé
Mode statique Mode mobile
Électrique à Diesel - véhicule

Type d’apport énergétique et Type de carburant et de mobilité
mécanique (moteurs utilitaire léger
d’énergie produite
électriques)
Masse produit
1,7e+03
Puissance nominale (kg)
1,5e+02
(W)
Distance
15
Utilisation (heures par jour) 0,17 (km Sar jour)
Utilisation (jours par an) 2e+02 Utilisation (jours par an) 2e+02
Durée de vie du produit (années) 2 Durée de vie du produit (années) 2
Contribution relative des modes statique et mobile
Mode Énergie %
18/22
(MJ)
Statique 81 0,4
Mobile 2,2e+04 99,6
Total 2,2e+04 100
Décomposition du mode mobile par composants
Énergie
Composant %
(MJ)
Coulisseau 2,2e+04 100,0
Total 2,2e+04 100
Élimination : Résumé
Option de fin Énergie

Composant %
de vie (MJ)
Coulisseau Recyclage 1,2e+03 100,0
Total 1,2e+03 100
FdV potentielle :
Option de fin Énergie

Composant %
de vie (MJ)
Coulisseau Recyclage -1,9e+04 100,0
Total -1,9e+04 100
Remarques : Résumé
19/22
Rapport Eco Audit
Résumé
Analyse de l’empreinte carbone
CO2 (kg/an)
Charge environnementale annuelle équivalente (moyenne sur 2 ans de durée de vie du 6,77e+03
produit) :
Décomposition détaillée des étapes individuelles du

cycle de vie
Matériau : Résumé
Teneur Masse Empreinte

Masse totale
Composant Matériau recyclée* partielle Qté. CO2 %
(kg)
(%) (kg) (kg)
Carbon steel, AISI 1095, oil

1300
Coulisseau quenched & tempered at % typique 0,13 1,7e+03 2,5e+03 100,0
0
205°C
1300
Total 1,7e+03 2,5e+03 100
0
*Standard : Inclut la 'fraction recyclée de l’alimentation en courant'
Fabrication : Résumé
Composant Procédé Quantité traitée Empreinte %

CO2
20/22
(kg)
Extrusion, laminage de feuilles

Coulisseau 1,7e+03 kg 1,8e+03 100,0
minces
Total 1,8e+03 100
Transport : Résumé
Décomposition par étape de

transport
Distance Empreinte CO2

Nom d’étape Type de transport %
(km) (kg)
Camion j'usqu'a Shanghai Camion de 32 tonnes (4 essieux) 9e+02 1e+02 1,4
Avion jusqu'a paris Fret aérien - long-courrier 9,3e+03 7,4e+03 97,7
Camion jusqu'à ENSMM Camion de 26 tonnes (3 essieux) 5e+02 67 0,9
Total 1,1e+04 7,5e+03 100
Décomposition par
composants
Masse Empreinte CO2

Composant %
(kg) (kg)
Coulisseau 1,7e+03 7,5e+03 100,0
Total 1,7e+03 7,5e+03 100
Utilisation : Résumé
Mode statique Mode mobile
Électrique à Diesel - véhicule

Type d’apport énergétique et Type de carburant et de mobilité
mécanique (moteurs utilitaire léger
d’énergie produite
électriques)
Masse produit
1,7e+03
Puissance nominale (kg)
1,5e+02
(W)
Distance
15
Utilisation (heures par jour) 0,17 (km Sar jour)
Utilisation (jours par an) 2e+02 Utilisation (jours par an) 2e+02
Durée de vie du produit (années) 2 Durée de vie du produit (années) 2
Contribution relative des modes statique et mobile
21/22
Empreinte CO2
Mode %
(kg)
Statique 4 0,3
Mobile 1,6e+03 99,7
Total 1,6e+03 100
Décomposition du mode mobile par composants
Empreinte CO2
Composant %
(kg)
Coulisseau 1,6e+03 100,0
Total 1,6e+03 100
Élimination : Résumé
Empreinte
Option de fin
Composant CO2 %
de vie
(kg)
Coulisseau Recyclage 83 100,0
Total 83 100
FdV potentielle :
Empreinte
Option de fin
Composant CO2 %
de vie
(kg)
Coulisseau Recyclage -1,4e+03 100,0
Total -1,4e+03 100
Remarques : Résumé
22/22

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Conception de Systèmes

µ2 parcours Systèmes - CM3 v.2021

Projet – Données de sortie de simulation CREO

Hamza Belabbes – Youssef Besrour – Victor Dufrêne – Magaux Lugrin

Figure 1 : Représentation de la transformation de mouvement de type Maneton-Coulisseau

Liaison « palier » dans Creo

Coulisseau (62 mm)

Bâti (40 mm)

Figure 2 : Schématisation du maneton-coulisseau et entraxes de départ

Projet de conception – Coupe branches CM3-Travaux dirigés

1- Données issus de simulation cinématique et dynamique avec CREO

Paramètre notation unité Flex

Tableau 1 : Données d’entrée du système selon la Flexibilité

Pivot bielle sortie 0,20 0,15 5 mm

Tableau 2 : Données de frottement (valeurs de départ à affiner ensuite)

Paramètre notation unité Flex Table

- Etape n°2 : Dimensionnement de l’arbre de la liaison maneton-coulisseau (Flexibilité

- Etape n°3 : Dimensionnement de la liaison pivot (Flexibilité 1)

Di (mm) Do (mm) B(mm) −1

6 8 8 0,06 22 1,32 1135

Tableau 4 : Tableau pour choix du bon coussinet P14

- Etape n°4 : Dimensionnement du coulisseau (Flexibilité 1)

On trouve, après des calculs détaillés dans le rapport technique, que h ≥

On prendra donc une épaisseur de 10mm.

Figure 2 : Modélisation sur Creo et dimension du coulisseau

2- Choix avancé de matériau et cycle de vie

Il est essentiel de choisir un matériau adéquat pour le coulisseau : au vu des contraintes

Acier à haute teneur en carbone

10 100 1000 10000

Acier à haute teneur en carbone Acier faiblement allié

0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000

Carbon steel, AISI 1095, oil quenched & tempered at 205°C

Figure 5 : Caractéristiques de l’acier à haute teneur en carbone choisi

Figure 7 : Différents modes de transports et différentes localisations de la production

On obtient alors l’étude comparative suivante :

3- Cotation du coulisseau (Flexibilité 1)

Figure 8 : Cotation du coulisseau

4- Etude de fabrication de la pièce

prix unitaire maxi (€) (dans

Découpage Plaque plane

Découpage Plaque plane

Découpe Plaque plane

Moulage OK OK 2-50 0.5-1 6.3-12.5 NOK

Le procédé de fabrication le plus intéressant semble donc être le forgeage, au vu de la complexité de

- Etape n°3 : Finition éventuelles (reprise de surfaces fonctionnelles … ?)

- Etape n°4 : Gamme d’usinage

PHASE 100 DOCUMENT PREVISIONNEL DE PHASE

Etabli par : Elément : Coulisseau Repère :

MIP principale Appui plan

MIP secondaire Linéaire réctiligne

MIP tertiaire Ponctuelle

Désignation des opérations Outils Paramètres de coupe

Dressage Fraise 2 tailles

Dressage ébauche 1 Fraise 2 tailles

Voici un aperçu du modèle CAO :

Figure 9 :Modèle CREO du CBA

La répartition des tâches a été la suivante :

Margaux : Dimensionnement de l’arbre du maneton, choix des matériaux et rédaction du rapport.

Annexe 1 : EcooAudit cycle de vie coulisseau avec transport aérien