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Calcul de structure d'une pédale en aluminium moulé avec de fortes contraintes mécaniques.

Dans le cadre d’un développement d’un nouveau produit, le Dreamslide, la définition d’un pédalier adaptatif innovant a nécessité la reconception de la pédale en aluminium (à partir d’une fonction initiale) pour l’adapter au process de fonderie sous-pression, suivi d’un calcul de structure en statique et dynamique pour finir par l’optimisation du système de coulée du moule afin de garantir la meilleure santé possible de cette pièce très sollicitée mécaniquement.

Un concept de véhicule récréatif urbain, à mi-chemin entre la patinette et le vélo

Conception d’un pédalier de vélo innovant en aluminium par le process de fonderie sous pression.

Jeune fille très fan de ce nouveau mode de transport urbain – « mieux que la moto de papa ».

Un cadre, un guidon, deux freins, une fourche… Et ce petit engin à deux roues en ligne se déplace à la force des jambes de son pilote. C’est bien un cycle. Pourtant, son utilisation est très différente de celle d’un vélo classique. Déroutante pour un cycliste, même. Pour commencer, il n’y a pas de selle.

Mais surtout, le pédalier, le cœur de la machine et de l’innovation, dissocie chaque coup de pédale par un mécanisme intermédiaire de roulements et de biellettes. On ne pédale pas, on pousse, on fait levier avec chaque pied successivement. Les manivelles ne sont alignées que deux fois par tour. La façon de porter le poids d’une jambe sur l’autre est très éloignée du mouvement de rotation continue que connaît le cycliste.

Zoom de la pédale du vélo après préconception.

Le concept de cycle développé est à mi-chemin entre la patinette et le vélo. La particularité de ce cycle innovant réside dans le pédalier adaptatif l’APS (Adaptive Pedaling System) qui permet de pédaler en position debout à 20 – 30 km/h, à la verticale du pédalier sur lequel repose tout le poids de l’utilisateur. Par un mouvement naturel proche du jogging, ce système réduit les oscillations du centre de gravité de l’utilisateur et permet ainsi d’éviter la surconsommation d’énergie induite par l’utilisation « en danseuse » d’un pédalier classique. Destiné aux jeunes urbains, ce cycle récréatif assez sportif nécessitait une conception du pédalier alliant résistance mécanique, design sportif et coût de production adapté à de la grande série.

La conception de la pièce

Géométrie du pédalier Dreamslide à différents stades de conception.

A partir d’un modèle fonctionnel initial, la géométrie de la pièce a été simplifiée pour l’adapter au procédé de fabrication série (plus de 10 000 pièces / an) en s’attachant à conserver l’esthétique du produit. En particulier, l’objectif était de passer en dessous de 500 g avec un centre de gravité dans l’axe du pédalier. Les modifications de forme ont portés notamment sur des zones rebouchées (initialement évidées) pour simplifier le moule (et donc limiter son coût) et réduire aussi les opérations d’ébavurage. Elles ont porté aussi sur la forme arrondie des crampons avec des dépouilles adaptées pour faciliter la bonne venue de la pièce ou encore sur l’amincissement de certaines zones (pour limiter les risque de défauts de type retassures ou porosités).

Calcul en statique et en dynamique avec MSC/Software

Résultats des calculs de dimensionnement de la pédale en statique et dynamique (3 itérations avec les cas de charge).

La pièce devait également répondre à des critères de résistance mécanique et avoir une durée de vie élevée. Des calculs de structure en statique et en dynamique (MSC/Software) ont été réalisés afin d’optimiser la conception de la pédale et valider son fonctionnement. En effet la pédale est fortement sollicitée et doit résister à des charges exceptionnelles dans un fonctionnement dit « accidentel », mais elle doit pouvoir également avoir une durée de vie élevée.

CAO de la pédale en cours de conception.

La pièce a été dimensionnée à partir de trois cas de charge: 1300 N pour la charge répétée maximale admissible sans rupture durant 10⁶ cycles (limite d’endurance du matériau à 90 MPa), 1500 N pour la charge statique maximale admissible sans déformation plastique (Rp0,2 < 140 MPa) et enfin 2000 N pour la charge exceptionnelle maximale admissible pendant 1/10 de seconde sans rupture (Rm < 213 MPa). Les données d’entrée en fatigue (limite d’endurance, Rm et Rp0,2) se sont appuyées sur la caractérisation en fatigue d’éprouvettes en AlSi9Cu3(Fe) moulées sous pression, classées selon le niveau de défaut radiographique ASTM E505 (classe 1 et classe 2) en traction alternée et flexion alternée.

Zone de l’axe de la pédale très fortement sollicitée (plus de 2x la contrainte admissible).

Trois itérations de calcul ont permis d’optimiser la conception de la pédale et de valider son dimensionnement. Trois zones de pièce (axe, nervure, zone de raccordement) étaient initialement sur-sollicitées mécaniquement avec en particulier des efforts plus du double de la contrainte admissible dans l’axe. Des épaisseurs fines (de l’ordre de 4 mm) ont été retenues, la zone autour de l’axe a été aménagée en contre dépouille – renforcée par des nervures – démoulables avec un tiroir dans le moule, les rayons de raccordement ont été ajustés, notamment sur les motifs anti-dérapants de la pédale. Afin de mieux répartir les efforts dans l’assemblage vissé (pédale/axe de manivelle), la zone autour de l’axe a été rigidifiée. Enfin, les zones non sollicitées mécaniquement ont été allégées et les nervures de la semelle ont été réorientées et renforcées pour faciliter l’alimentation en métal depuis les attaques de coulée.

La conception du moule de fonderie

Simulation numérique du remplissage (code QuikCAST) – demi-grappe.

Ensuite, pour assurer un niveau de qualité de la pièce produite conforme aux exigences fonctionnelles attendues, des simulations ont été menées. Un calcul de dimensionnement du système de coulée a été réalisé avec SALSA 3D (outil métier développé initialement par CTIF et intégré dans la suite logiciel d’ESI) et a été validé par simulation numérique du remplissage avec le logiciel QuikCAST.

L’étude du remplissage permet d’éviter d’enfermer de l’air dans la pièce (porosités) par un mauvais écoulement de métal dans l’empreinte et de positionner les talons de lavage en fin de remplissage pour éviter les reprises de coulée et le métal froid.

Conception du plan de joint et du tiroir latéral.

Ces résultats ont permis de mener une conception robuste de moule de fonderie sous pression aluminium, moule qui embarque 2 empreintes symétrique par rapport à l’axe vertical. Au final, le design retenu inclut 2 tiroirs et une alimentation par 2 éventails pour chaque pièce.

Les zones de tiroirs latérales ont été positionnées sur le moule pour réaliser la zone de l’axe (qui sera réusinée ensuite) et des nervures de renforts non démoulantes.

Prototypage de la pièce

Cire de prototypage (en arrière plan) avec imprimante 3D PROJET CP3000 et pièce finie.

Afin de disposer d’une pièce de test mécanique en phase avant-projet, un prototype bonne matière en AlSi9Cu3(Fe) a été réalisé en fonderie cire perdue à partir d’un modèle en cire issue de fabrication additive.

Pour cette phase prototype, on recherchait ici un process rapide, peu couteux et qui permettait également d’obtenir une qualité de surface proche de la fonderie sous-pression pour des aspects de tenue en fatigue (effet de peau).