Vélo'ciraptor

Dans le cadre du cours d'ATIGU, nous avons fait le choix de nous interresser à la commande faite par le Fablab qui était de "Fabriquer un prototype de vélo générant de l’énergie". Pour cela, notre groupe a débuté par un benchmarking qui nous a permis de recencer l'ensemble des nos idées.

Au départ, nous souhaitions intégrer à notre projet une notion environnementale, c’est pourquoi, nous avons penser à réaliser le « Vel’arrose ». Le concept était de créer un vélo permettant d’irriguer une plante. En pédalant, la plante aurait pu être arrosé, cependant plusieurs problèmes techniques sont intervenus lors de la conceptualisation du projet : le fait de noyer la plante si on pédale trop, réaliser tout un système d’irrigation pour un faible rendement final, problème sur le choix de quel élément mécanique allait entrainer l’eau jusqu’au bac où se trouve la plante… L’idée de ce projet est alors passée à la trappe, nous avons dû reprendre une étape de réflexion. Ainsi, nous avons pu mettre en place notre idée finale.

Notre idée en quelques mots : ludique, efforts physiques, ambitieux...

Ainsi, nous avons eu l’idée de créer un vélo entrainant un système ludique de course de petites figurines nous est venu. « Vélo’ciraptore » est un vélo ludique permettant d’actionner un tapis ou se trouve une figurine de dinosaure. Alliez l’utile au divertissement !

En un coup de pédale, la course est lancée !

Pour réaliser ce projet, le matériel nécessaire est le suivant (de gauche à droite) :

• Scie sauteuse
• Perceuse- visseuse
• Serre-joint
• Scie circulaire
• Scie à main
• Fraiseuse
• Embout pour support de vissage
• Foret de 2 mm, 3 mm et 5 mm
• Découpe laser

La première étape réalisée est la cale avant du vélo. Le but est d'immobiliser la roue avant afin que le vélo n'avance pas lorsqu'on l'on va actionner le pédalier. Cette première cale s'inspire d'un modèle trouvé sur instructables : "DIY Bike Stand : 7 steps", que nous avons modifié pour qu'il puisse s’adapter à notre modèle de vélo.

Pour réaliser cette cale en bois, nous avons utilisé :

• 6 planches en bois d'environ 10cm de largeur
• 2 tasseaux
• 4 chutes de bois pour réaliser les pieds
• Environ 20 vis

Voici les étapes nécessaire à la réalisation de cette cale :

NB : Pensez toujours à pré-percer chacun des trous pour ne pas éclater le bois.

1- Scier les planches de bois à l'aide d'une scie aux dimensions suivantes :

• 2 planches (verticales) : 47 cm
• 2 planches (horizontales) : 60 cm
• 2 planches (à mettre sur la tranche) : 60 cm
• 2 tasseaux : 30 cm

2- Visser les planches de 47 cm à celles de 60 cm. L’écart entre les deux planches à la verticale doit être égal à la largeur de la roue avant du vélo, dans notre cas : 3,8 cm.

3- Visser sur les planches verticales de 47 cm les deux autres planches de 60 cm sur la tranche afin de réaliser un angle droit et de créer une butée pour retenir la roue.

4- Effectuer un test pour vous assurez que votre roue s’insère correctement dans la fente de la cale.

5- Après ce test, nous nous sommes rendu compte que les cales misent sur la tranche n'étaient pas suffisantes pour soutenir la roue avant du vélo. Pour parer à ce phénomène nous avons décidé de fixer des tasseaux de bois pour renforcer notre structure. Ils vont permettre d'augmenter la résistance de la butée.

Bonus- Ajout de pieds pour surélever la cale afin qu'elle s'adapte correctement à la future cale arrière de notre projet. Les pieds que nous avons ajoutés ont une hauteur de 5 cm.

Nous avons réalisé un modèle 3D pour permettre de mieux visualiser et de comprendre comment chaque pièce est disposée.

La seconde étape réalisée est celle des cales qui viendront soutenir les différents roulements du projet. Nous avons réalisé 7 fois cette étape car nous avions besoin de 7 cales pour son bon fonctionnement. Ces cales vont aussi soutenir les tiges qui passeront dans les roulements et le rouleau de la cale arrière.

Pour réaliser une cale nous avons utilisé :

• 2 cales de 5cm*11cm
• 1 planche de 38 cm
• 1 planche socles de 9,5cm*20cm*1,6cm
• 8 vis

Pour réaliser 7 cales en bois, nous avons utilisé :

• 14 cales de 5cm*11cm
• 7 planches de 38 cm
• 17 planches socles de 9,5cm*20cm*1,6cm
• 56 vis

Voici les étapes nécessaires à la réalisation de cette cale :

1- Réaliser au préalable l'ensemble des côtes pour les planches et les cales.

2- Réaliser l'entièreté des découpes à l'aide de la scie circulaire.

3- Percer un trou de diamètre 2,2 cm dans la planche de 38 cm à 2 cm du haut à l'aide d’une fraiseuse. Répéter cette étape 6 fois. Veiller à ce que le trou corresponde bien au diamètre de votre roulement.

4- Sur les planches socles, nous avons repéré le centre (trait du milieu) et la largeur de la planche verticale (traits sur l'extérieur).

5- Fixer la cale au niveau du trait gauche extérieur par le dessous du socle à l'aide de 3 vis. Nous avons ajouté une vis supplémentaire en plus des 2 initiales afin que l'assemblage soit plus résistant.

6- Fixer la planche verticale à la cale de l'étape 5-, nous avons effectué un repère à 3 cm du socle pour pouvoir visser la planche à la cale.

7- Positionner la seconde cale perpendiculairement au socle et à la planche verticale. Visser par le dessous (comme précédemment nous avons ajouté une vis supplémentaire).

8- La cale est prête pour accueillir le roulement et la tige.

Nous avons réalisé un modèle 3D pour permettre de mieux visualiser et de comprendre comment chaque pièce est disposée.

Lors de la réalisation de ces cales, nous avons rencontré quelques difficultés lors du perçage des cales en forme de prisme triangulaire du fait de leur forme et de la façon dont on les a fixés (par le dessous). Aussi, il y a eu des difficultés techniques avec la prise en main de nouveaux outils (fraiseuse, scie circulaire...).

Cette étape va nous permettre de créer deux engrenages vont permettre de modifier le sens de rotation du vélo. Notre choix était de faire avancer notre figurine vers l'avant (sens horaire), de ce fait nous avons dû séparer le principe de roulement en deux parties.

Pour réaliser les deux engrenages, nous avons dû les créer à l'aide d'un logiciel de dessin vectoriel : Inkscape. Ensuite, il a fallu se rendre dans la catégorie engrenage pour directement choisir le modèle que l’on voulait en fonction des paramètres.

Sur le logiciel, nous avons dû déterminer les paramètres suivants :

•  Le nombre de dents
•  L'angle d'inclinaison des dents
• La taille des dents
• Diamètre de l'engrenage

Le diamètre est prédéfini dès le choix du nombre de dents dans l'engrenage.

Nous avons donc réalisé deux engrenages à l'aide du logiciel ayant les dimensions suivantes :

1- Premier engrenage :

• Le nombre de dents : 100 dents
•  L'angle d'inclinaison des dents : 20°
• La taille des dents : 5 mm
• Diamètre de l'engrenage : 16 mm

2- Deuxième engrenage :

• Le nombre de dents : 50 dents
• L'angle d'inclinaison des dents : 20°
• La taille des dents : 5 mm
• Diamètre de l'engrenage : 8 mm

Après avoir modélisé les deux engrenages, nous avons pu exporter les modèles créés sur le logiciel de la machine de découpe laser. Ainsi, la machine a pu réaliser nos engrenages sur des planches en bois d'une épaisseur de 1 cm. Nous avons observé le fonctionnement de la machine et pu assister à la précision de la découpe.

L’étape 4 va permettre de faire les deux engrenages pour la future courroie. Ces engrenages permettent de récupérer le mouvement de rotation de la roue arrière et d'entraîner la courroie dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Pour la conception, nous avons récupéré un modèle sur une bibliothèque d'objets intitulé "Thingivers" qui regroupe une multitude de modèles 3D. Après ça, nous avons lancé l'impression sur l'imprimante 3D à partir du modèle récupéré. Cela a duré environ 3h.

Cette étape va permettre de fabriquer la cale arrière du vélo. Pour la faire, nous avons d'abord réalisé un dessin 3D afin de pouvoir visualiser chaque élément constitutif. Contrairement aux étapes précédentes, nous n'avons pas eu le temps de réaliser l'ensemble des mesures donc nous les avons effectué directement à l'atelier. De ce fait, nous avons avancé au tâtonnement au cours de la réalisation de cette cale.

1- Nous avons dimensionné les planches de support directement en se basant sur le vélo. Les planches parallèles à la roue font 90 cm et les planches perpendiculaires à la roue font 60 cm.

2- Scier les planches aux dimensions inscrites précédemment.

3- Visser les planches de 90 cm à celles de 60 cm. Nous avons utilisé pour chaque partie 2 vis.

La deuxième étape a été de réaliser les supports la cale arrière du vélo qui seront fixés sur la cale arrière précédemment confectionnée. Pour cette partie, nous avons directement été avec les tasseaux de bois au niveau du vélo afin de reporter les mesures et l'angle sur les tasseaux.

4- Scier à l'aide de la scie circulaire les tasseaux en respectant la longueur reportée et l'angle souhaité. Pour notre part, l'angle est de 18°. 

5- Scier à l'aide d'une scie à métaux deux morceaux de 7 cm de longueur de la barre d'aluminium. Puis fixer chaque morceau en haut de chaque tasseau.

6- Tests afin de vérifier les distances entre la roue et la cale. Vérifier si l'angle choisi est le bon pour accueillir le cadre du vélo.

7- Fixation du premier tasseau sur une planche (par le dessous) pour le surélever. Nous avons remarqué que le tasseau n'était pas stable, nous avons donc fixé une équerre pour faire du contreventement. Ces équerres ont été dimensionées et sciées à la main.

8- Vérification de l'emplacement du deuxième tasseaux. Problème : l'écart entre les deux planches parallèles à la roue était trop important donc nous avons dû dévisser et rapprocher cette planche.

9- Prise de mesures sur le vélo pour assurer un meilleur ajustement concernant le second support. Il faut alors ajouter un morceau de bois pour avoir la même hauteur que le tasseau précédent.

10- Fixation du morceau d'aluminium et du rajout sur le second tasseaux.

11- Fixation du tasseau par le dessous de la planche. Nous avons aussi ajouté l'équerre pour solidifier notre support.

12- Test sur le vélo : ça fonctionne !

Cette étape a été rapide à réaliser car nous avons eu la possibilité de récupérer deux rouleaux (les bleus) et donc d’imprimer seulement deux autres rouleaux à l'imprimante 3D (les verts). Pour réaliser ces rouleaux, nous avons procédé en deux étapes distinctes : d’abord, nous avons dû modéliser les modèles en 3D et ensuite lancer l'impression. Les étapes se sont déroulés comme suit :

1- Réaliser un cercle de diamètre 8 cm

2- A l’intérieur du premier cercle, réaliser une seconde forme circulaire du diamètre de la tige filetée 0,8 cm

3- Utiliser la fonction extruder pour réaliser la forme cylindrique et ajouter une hauteur de 12 cm.

4- Réaliser sur les deux faces du cylindre une forme hexagonale aux dimensions d'un écrou M8.

5- A nouveau, utiliser la fonction extruder pour permettre de faire l'épaisseur de l'écrou. Cette étape est à réaliser sur les deux côtés du cylindre.

6- Transférer le modèle 3D vers le logiciel de l'imprimante 3D et lancer l'impression

7- L'impression est terminée

8- Au niveau des trous réalisés pour les écrous, venir y fixer les écrous de M8 et les sécuriser à l'aide de la colle.

Les rouleaux sont prêts.

Pour cette 7ème étape, nous allons réaliser les cales arrières afin de supporter le rouleau.

1- Commencer par couper deux planches d'une longueur de 26 cm et deux cales d'un angle à 45°.

2- Ensuite il faut faire les repères pour le trou qui accueillera les roulements : à 17 cm en partant du bas et à 4,5cm au centre. Après ça, percer les trous de 2,2 cm de diamètre grâce à la fraiseuse.

3- Faire des mesures pour prédire le bon positionnement des cales.

4- Dévisser les tasseaux précédemment installés pour faciliter l'installation des cales.

5- Fixer une cale au support principal arrière au niveau du repère.

6- Fixer perpendiculairement la planche à la cale.

7- Répéter l'opération une seconde fois de l'autre côté.

8- Pensez à re-visser les tasseaux.

Les deux cales sont prêtes à accueillir les roulements et la tige afin de supporter le rouleau.

Préparation du tapis pour la future installation.

• Tapis de 5m x 1,44cm
• Machine à coudre

1- Plier le tapis 4 fois de sorte à avoir une largeur d'environ 12 cm.

2- Coudre les côtés du tapis pour qu'il soit résistant lors de sa future utilisation.

Les ourlets seront faits au dernier moment lors de l'assemblage.

Pour cette dernière partie, nous n'avons pas à faire de découpe ni de modélisation mais elle nous a demandé beaucoup de temps en terme de mise en place et de peaufinage. Nous avons dû prendre en compte l'ensemble des différentes complications que nous avons pu rencontrer. Malgré tout, nous avons monté l'ensemble des différents éléments afin de pouvoir créer les éléments constitutifs de notre système. Nous avons procédé par étapes :

1- Assembler les rouleaux sur les tiges filetées et sécuriser ses rouleaux à l'aide d'écrous indesserrables acier

2- Fixer le système de rouleau et de tige filetées sur les cales en bois en ajoutant les roulements au niveau des trous réalisés au préalable à l'aide de la fraiseuse. Nous nous sommes rendu compte que les roulements sortaient lorsque nous actionnons le mécanisme c’est pourquoi, pour palier à ce problème, nous avons mis des rondelles en bois au diamètre de 3 cm pour les roulements et 8 cm pour les rouleaux.

3- Sur la cale au niveau de l'avant du vélo, nous avons ajouté, en plus des rouleaux nécessaires au tapis, le système d'engrenages en bois. Là aussi, nous avons sécurisé les engrenages à l'aide de rondelles en bois.

4- Sur les cales situées le long du vélo, nous avons directement mit les engrenages produits à l'imprimante 3D. Il a fallu aussi les sécuriser à l'aide d'écrous indesserrables acier.

Une fois les différents éléments assemblés, nous avons pu simuler le placement des modules et essayé de comprendre et de voir si des problèmes se posaient. C’est alors que l’on a remarqué les choses suivantes : 

• L'équilibre des différentes cales n'est pas assuré
• La tension du tapis roulant ne peut pas être réalisée
• Les écrous indesserrables acier étaient trop serrés

Les différents problèmes cités précédemment nous ont alors permis de produire les solutions suivantes :

• Création d'un système de stabilisateur avec des tasseaux pour sécuriser la partie tapis. Cette partie n'était pas stable du fait de la tension émise lors de l'assemblage du tapis en forme de tapis roulant.
• Création à l'aide de chute de bois de renfort au niveau des cales soutenant les engrenages en bois et ceux imprimé en 3D
• Ajustement du serrage des écrous dans le but d'assurer un meilleur roulement du tapis.

Aussi, nous avons rencontré des difficultés liées à l'utilisation des écrous indesserrables acier car il a fallu immobiliser la tige afin que le système ne se visse pas lorsque les engrenages et les rouleaux tournent. L'installation des écrous a été rude et longue du fait que les écrous possèdent un joint qui eux-mêmes ralentissent le vissage. 

Pour finir, l'installation finale s'annonce compliquée car il faut assembler, ajuster l'ensemble des modules entre eux et enfin s'assurer de son fonctionnement.

Aujourd’hui, le 3 avril 2023 était notre dernier jour d’assemblage et aussi celui de notre présentation. A savoir que ce matin, nous n’avons pas directement pu assembler car il a fallu refaire des modifications de dernier moment : refixer les liens entre les bases de nos cales pour que les engrenages soient bien parallèle, refaire une équerre pour une des cales arrière car elle s’est cassée entre temps, reprise de mesure pour la distance entre les modules, ajout d’élastique pour assurer la stabilité. Suite à ça, nous avons pu commencer à mettre la courroie mais à ce moment, nous avons fait un test et les engrenages ne tournaient pas correctement alors nous avons décidé de rajouter des planches sur les extrémités des cales. On a donc pris une planche et nous l’avons découpée dans les dimensions voulues. Ensuite nous l’avons fixé aux cales pour qu’elles solidarise notre module. Ensuite nous avons remarqué que notre rouleau ne tournait pas bien alors nous avons tout démonté afin d’enlever des boulons mais le changement n’était pas flagrant.

Enfin, nous avons fixé le dinosaure sur le tapis car nous n’avions pas d’autre solutions par rapport au temps imparti. 

Malgré tout, c’est à partir de 13h que nous avons du commencer la mise en place dans la salle de présentation et nous avons donc tout remonté sur place en ajoutant la courroie (courroie ouverte que l’on a fixé grâce à des agrafes). C’est durant celle-ci que nous avons rencontré d’autres problèmes : roue qui n'adhère pas au rouleau, courroie qui saute (x4), tapis qui se décale puis cale au bout du tapis qui tombe lorsque l’on touche au système.

On a alors appliqué de la feutrine afin que la roue et le rouleau puissent entraîner le système.

A savoir que notre modélisation 3D ne correspond pas complètement à la réalité car c’est en confectionnant que l’on s’est rendu compte de la difficulté de la précision et qu’il fallait sans cesse réajuster. 

A améliorer : 

Déjà, il faudrait fixer une planche à chacune des cales qui soutiennent le tapis afin que celui-ci soit bien stabilisé. Ensuite, il faudrait changer de rouleau et en mettre un cranté afin d’avoir une bien meilleure adhérence. Enfin, il faudrait enlever la chambre à air entre les rouleaux et le tapis afin de remettre seulement des “morceaux” pour que le tapis reste dans son axe.