actionneur de commande du plan horizontal … de conception mécanique, i2ic …, 2 a poic, in sa...

Epreuve de Conception Mécanique, I2IC …, 2°A POIC, INSA Toulouse, Juin 2010 1/19

EPREUVE DE CONCEPTION MECANIQUE (2H30)

INSA 2éme année IC

Juin 2010

Actionneur de commande du plan horizontal arrière réglable

de l'Airbus A380 Les 5 parties sont indépendantes. N’oubliez pas de mettre votre nom sur les documents réponses. Sommaire et Barème indicatif :

o Présentation o Partie 1 : Analyse de la solution architecturale (3.5pts) o Partie 2 : Etude de la chaine de puissance (4pts) o Partie 3 : Réducteurs (2.5pts) o Partie 4 : Vérification des durées de vie (4pts) o Partie 5 : Etude de plan (6pts) o Documents techniques o Documents réponses

Département de STPI


I. Partie 1 : Analyse de la solution architecturale

I.1. Nous allons tout d’abord étudier la cinématique globale de l’actionneur. I.1.1. La liaison cardan est expliquée sur les documents techniques DT1 et DT2. Sans calculs, donnez les degrés de liberté d’une telle liaison.

Les liaisons cardans seront notées « cardans » sur le graphe de liaison, par contre elles seront représentées de manière normalisée sur le schéma cinématique en fonction de leurs degrés de liberté.

I.1.2. Complétez le graphe de liaison et le schéma cinématique du document réponse DR1. (Les liaisons normalisées sont représentées sur le document technique DT3)

I.2. Nous allons maintenant nous intéresser plus en détail au système de NoBack (détaillé sur le

document technique DT1) I.2.1. Montrez que la liaison équivalente entre le carter et la vis est bien une pivot d’après le

schéma architectural suivant :

Figure 6 : Schéma architectural du système {NoBack/Carter + Vis}

I.2.2. Cette liaison est-elle hyperstatique ? Commentez. I.2.3. Quel est le rôle de la précharge ?

A

B

C

z

x

En A : Butée 1 =1 appui plan Butée 2 = 1 appui plan


II. Partie 2 : Etude de la chaine de puissance

II.1. Complétez, sur le document réponse DR2, la partie transmission de puissance de la chaine d’énergie à l’aide de schémas blocs. Vous indiquerez les grandeurs des flux entre les blocs et les caractéristiques des différents organes (on ne prendra pas en compte le système NoBack)

Données :

==

==

9.0;35:/

81.0;240

1:

η

η

mmpasEcrouVis

rRéducteur globalglobal

On cherche maintenant à déterminer la vitesse du moteur pour répondre au Cahier des Charges imposé par l'avionneur AIRBUS, dont voici un extrait : « Un débattement angulaire total du plan horizontal arrière de 12° en 38 secondes. La plage angulaire, pour un fonctionnement normal, varie entre -10° et +2°. Les butées aux extrémités de la vis sont distantes de 1130 mm. » II.2. Sachant que la course de l’écrou est 1100 mm (il ne touche pas les butées), calculer la vitesse nominale du moteur.

II.3. Une simulation informatique nous a permis de déterminer la puissance mécanique à fournir à la

vis à billes afin d'obtenir le couple maximal. Ce couple dépend de l'effort maximal appliqué sur l'écrou à billes du THSA, du système Noback et de la configuration du THSA au cours du vol.

La puissance maximale à fournir à la vis à billes est égale à Pvis= 19588 W.

II.3.1. Déterminez alors la puissance maximale que doit fournir le moteur Pm. II.3.2. Le tableau du document technique DT5 présente la variation de l'effort de portance Fz (en

daN) en fonction de l'angle d'inclinaison du plan horizontal arrière (α) ainsi que l’effort transmis par l’écrou Fécrou. Vérifier qu’avec la vitesse requise, l’effort transmissible est bien suffisant.

II.3.3. Choisissez le moteur adéquat dans le tableau suivant. Justifiez.

Moteurs PARVEX TK 85-50-01 TK 106-45-01DANAHER RBE 1210

DANAHER RBE 710

Nnom(tr/min) 15000 19000 9550 12000 14000Cnom(Nm) 3,5 5,15 6,8 10 5Cmax(Nm) 14 19,2 32 34 16

Tableau 1 : Caractéristiques moteurs


III. Partie 3 : Réducteurs

III.1. Le constructeur a choisi un système à trois étages de réduction, représenté schématiquement sur la Figure 7. Pour rendre le système suffisamment optimal, nous nous imposons un diamètre de roue sur le moteur faible, pour éviter une trop grande inertie ; et une roue sur la vis la plus petite possible, également dans le but de réduire son inertie pour le système Noback.

Figure 7 : Schéma cinématique du réducteur

Recopiez sur votre copie et complétez le tableau suivant :

Module Ziadia

(mm) Zibdib

(mm) EntraxeRapport de réduction

Engrenage 1 1 10Engrenage 2 12 108 1/6Engrenage 3 2 80

Total 168 1/240 Tableau 2 : Caractéristiques de la boite de réduction

III.2. Proposez une autre solution technologique de réducteur pour diminuer l’encombrement total tout

en gardant ce rapport de réduction très élevé.

1a 1b

2a 2b

3a 3b

vis


IV. Partie 4 : Vérification des durées de vie Voici un extrait du Cahier des Charges concernant les durées de vie de l’A380: « L’avion doit être dimensionné pour voler 150000h de vol.

• La butée du système NoBack est utilisée 30min par heure de vol ; • Les roulements du réducteur sont utilisés 150s par heure de vol. »

Le premier arbre intermédiaire est celui qui tourne le plus vite. Il est donc primordial de vérifier la durée de vie des roulements qui le supportent. Les caractéristiques des deux roulements utilisés sont données dans le document technique DT7

Figure 8 : Schéma de l’arbre intermédiaire 1

IV.1. A partir du PFS, déterminez les charges radiales en A et B (suivant y)

IV.2. A partir de vos résultats et des caractéristiques des roulements, choisissez le roulement en A et celui en B, proposer un schéma de montage des roulements qui détaille les blocages axiaux ainsi que les bagues montées serrées et celles laissées libres.

IV.3. Quelles sont les bagues montées serrées, pourquoi ?

IV.4. Vérifier que la durée de vie des roulements est bien supérieure à celle du Cahier des Charges. Ici,

le constructeur juge qu’un coefficient de sécurité de 2 est suffisant. (Rappel : ωarbre int=125.66 rad/s, et le coefficient de sécurité s’applique directement sur la charge dimensionnante)

A

B

G C

D

50

10

10

30

9

F P

tF Inventaire des actions extérieures : F=420N en C suivant y Ft= ?N effort transmis en D suivant -y P=50N poids en G suivant -z Liaisons en A et B Roulements utilisés (voir DT7) : • A billes : SKF 63009-2RS1 • A rouleaux : SKF NUP 206ECP

z

x

y


V. Partie 5 : Etude de plan

Nous allons étudier le plan distribué avant l’examen (feuille A3)

V.1. Expliquer en quelques phrases à quoi sert ce système et quel est son fonctionnement.

V.2. Dessinez le schéma cinématique de l’ensemble du marteau perforateur lorsque 8 est en contact avec 7 (position représentée). L’ensemble {17, 18, 19, 21, 22, 23} ne formera qu’une seule classe d’équivalence.

V.3. Le pignon 18 est en liaison hélicoïdale irréversible avec l’arbre 19. On peut venir régler le système {17, 18, 19, 22, 23} avec une manette et un engrènement du pignon 18 :

• On bloque la rotation de sortie au niveau du porte outil 3 • On fait tourner le pignon 18.

V.3.1. A quoi sert ce système, quel est son nom ? V.3.2. Comment s’appelle la pièce 17 ? V.3.3. Quelle est le numéro de la pièce représentée Vue G ? Quelles sont ses liaisons et avec quelles pièces ? V.3.4. Quelle est la liaison entre 19 et 22, comment est-elle réalisée ?

V.4. Ce marteau perforateur peut fonctionner de trois manières différentes :

• Perçage seul (adaptateur mandrin) • Perçage béton (forêt béton à queue plus longue et avec percussion) • Percussion seule (burin, non représenté)

Comment s’appelle la pièce 8 ? Expliquez son rôle en détaillant les pièces intermédiaires. V.5. Nous allons nous intéresser maintenant à la réalisation de la fonction « frapper »

V.5.1. Décrivez l’assemblage des pièces 39 et 40 : mise en position (surfaces de contact, degrés de liberté), maintien en position.

V.5.2. Pourquoi y-a-t il de l’air entre les pièces 36 et 38, et quel est son rôle ? V.5.3. Effectuez le graphe de liaison de la chaine fermée {carter + arbre 33 + coulisseau 34 +

piston 35}. Déterminez l’hyperstaticité de cet assemblage, commentez votre résultat.

V.6. Bonus : Détaillez la séquence de montage du groupe formé par les pièces 24, 25, 26, 27, 29, 33, 34, 35, 39, 40 et 44. (Attention, les vis ne sont pas numérotées)

Manette de réglage

Figure 9 : Réglage


Présentation

L'évolution croissante du trafic aérien impose de disposer d'avions d'une part de gabarit important, et d'autre part à coûts d'achat, d'entretien et d'exploitation réduits. Désormais, un des défis des constructeurs d'avions commerciaux est de parvenir à réduire dans le respect des limites de sécurité, les exigences énergétiques, le poids et le coût des systèmes d'équipement. C'est pourquoi les avionneurs développent des avions de plus en plus « tout électrique » pour diminuer les couts de maintenance et augmenter la durée de vie. L'Airbus A380 répond à ces différents besoins (la version passager, peut transporter de 555 à 853 passagers ; l'A380-800 a une autonomie de 15 200 kilomètres …) Commandes de vol En vol, un avion évolue autour de trois axes de référence (figure n° 1) :

• l'axe de tangage, suivant lequel il se lève ou pique du nez, rotation autour de l'axe (G,X) ; • l'axe de roulis suivant lequel il s'incline sur une ou sur l'autre de ses ailes, rotation autour de

l'axe (G, Y) ; • l'axe de lacet suivant lequel il dirige son nez vers la gauche ou vers la droite, rotation autour de

l'axe (G, Z).

Figure 1 : Axes de tangage, roulis, lacet En pratique, on distingue deux types de commandes de vol:

• Les commandes de vol primaires qui permettent de contrôler l'évolution de l'avion autour de ces axes de référence: les ailerons et les spoilers pour le roulis, la gouverne de direction pour le lacet, les gouvernes de profondeur pour le tangage (exemple: plan horizontal arrière) ;

• Les commandes de vol secondaires qui permettent de modifier la configuration aérodynamique de l'avion: hypersustentateurs (volets et becs) pour la portance; les spoilers pour la trainée.

Différents actionneurs réalisent la fonction de positionnement des gouvernes, à sources de puissance électrique ou hydraulique et à transmission de signaux électriques ou mécaniques.


Plan horizontal arrière réglable Le plan horizontal arrière assure l'équilibre en tangage de l'appareil. Il se situe à l'extrémité arrière du fuselage (figure n° 3). Il est en liaison pivot avec le fuselage arrière. En vol l'équilibre longitudinal de l'appareil change continûment (vitesse, masse, chargement), le plan horizontal arrière doit alors pouvoir prendre une incidence variable, comprise entre +2° et -10° sur l'airbus A380 (notée α). Le plan horizontal arrière réglable est appelé THS (Trimmable Horizontal Stabilizer). Actionneur du plan horizontal arrière réglable Cet actionneur est appelé THSA (Trimmable Horizontal Stabilizer Actuator) (figure n° 2). Le THSA a pour fonction d'assurer le positionnement angulaire du plan horizontal arrière en fonction des ordres venant soit du pilote (levier de commande), soit du calculateur de l'appareil (vol automatique). Il doit en outre maintenir le plan horizontal arrière en position en cas de défaillance. Il réalise une fonction de vérin linéaire. L'une de ses attaches est reliée à la structure avion et l'autre au plan horizontal arrière. Le THSA reçoit de l'appareil de la puissance et des ordres de commande et lui retourne les informations nécessaires à l'asservissement du plan horizontal arrière et à la surveillance du THSA. Présentation du THSA Le THSA possède trois fonctions principales:

• attache structurale au fuselage; • irréversibilité; • réglage angulaire du plan horizontal commandé par les calculateurs de vol.

Il comporte une fonction structurale assurée par un ensemble de vis à billes muni de son dispositif d'irréversibilité à friction, une transmission de puissance réalisée au moyen d'une boite à pignons, deux modules hydrauliques et un canal électrique en constitué d'un moteur avec son électronique de puissance. Nous nous intéresserons ici uniquement au canal électrique et les parties hydrauliques ne seront pas détaillées. Conçu sous forme de modules pouvant être remplacés directement sur l'A380 sans dépose du système, le THSA est le plus gros actionneur de plan horizontal réglable jamais construit pour une application civile. Implantation du THSA dans le fuselage de l'appareil La figure n° 3 représente l’implantation du système étudié dans le fuselage arrière (empennage) de l'appareil.

Figure 2


Figure 3 : Implantation du système

Principe de fonctionnement du THSA Le principe de fonctionnement est représenté sur le schéma technologique simplifié Figure 4. L'ensemble de motorisation du THSA (moteur électrique) transmet un mouvement de rotation à la vis à billes par l'intermédiaire d'un réducteur à engrenages. L'écrou en translation actionne alors le plan horizontal arrière par l'intermédiaire d'une bielle. La bielle fixée sur le plan horizontal arrière (liaison complète) actionne le plan horizontal. Le plan horizontal arrière, en liaison pivot par rapport au fuselage, possède un débattement angulaire de 12° (-10°≤ α ≤ +2°).

Figure 4 : Schéma technologique

-10°

+2°

α


Le THSA est constitué: (Figure 5) • d'un système de transformation et de transmission de mouvement vis écrou à billes; • de deux moteurs hydrauliques et d'un moteur électrique; • de deux butées de fin de course mécanique (supérieure et inférieure) ; • d'une double attache au plan horizontal arrière et au fuselage; • d'une boite de transmission de puissance comportant:

� un système d'irréversibilité qui permet au THSA de maintenir le plan horizontal arrière en position: le NoBACK,

� un circuit hydraulique ou électrique dédié à la commande et au contrôle de la puissance, � un réducteur à engrenages;

• d'un boitier électronique servant d'interface entre l'avion et le THSA ; • de deux capteurs pour le contrôle de la boucle d'asservissement en position du THSA.

Figure 5 : Architecture du THSA


Liaisons cardans. Le THSA est fixé au fuselage au niveau de sa partie supérieure. Cette fixation réalise la fonction technologique : « Guider en rotation le berceau primaire du THSA par rapport au fuselage ». Elle comporte deux berceaux permettant la rotation suivant les deux axes X et Y (figure), seule la rotation autour de l'axe Z est supprimée, ainsi que les translations suivant X, Y et Z. Cette fixation est appelée système de cardan.

NoBack De par sa conception, la vis à billes confère un caractère réversible à la chaîne d'énergie du THSA. Le Noback (schéma ci dessous) supprime cette réversibilité et rend donc le système THSA globalement irréversible. Les efforts (aérodynamiques, poids du plan horizontal, ... ) appliqués sur le plan horizontal arrière ne doivent à aucun moment induire un changement angulaire de ce dernier; le THSA bloque la rotation de la vis à billes si l'ordre de changer la position du plan horizontal arrière n'est pas donnée (soit par le pilote, soir par le calculateur de vol). Le NoBack reprend tous les efforts longitudinaux appliqués sur l'axe de la vis à billes. En aucun cas ces efforts ne transitent par le réducteur à engrenages. Le NoBack intègre deux fonctions, celle de butée axiale et celle d'irréversibilité de la vis à billes. Il est constitué de :

• deux butées à rouleaux assurant la fonction de butée axiale;

• deux roues à rochets ; • six cliquets; • deux disques de carbone; • une paire de rondelles Belleville de précharge de la vis.

Document technique DT1


Session 2010

Format : A4



Modélisation des efforts Les efforts aérodynamiques sur la voilure du plan horizontal arrière peuvent atteindre des valeurs très importantes au cours des différentes phases du vol. Ces efforts varient en fonction de plusieurs paramètres. La figure n° 17 montre une modélisation simplifiée des efforts aérodynamiques s'exerçant sur la voilure du plan horizontal arrière. La résultante de ces efforts notée F peut être décomposée en deux actions mécaniques:

• Force de portance Fz ; • Force de trainée Ft .

Seule la force de portance Fz sera prise en compte dans la suite de notre étude.



Norme SKF

La charge dynamique de base C est utilisée pour le calcul de la durée des roulements en rotation. C'est la charge pour laquelle la durée nominale ISO 281:1990 du roulement considéré atteint 1 million de tours. La charge est constante en intensité et en direction, radiale dans le cas d'un roulement radial, axiale et centrée dans le cas d'une butée. La détermination des charges dynamiques de base des roulements SKF est effectuée en conformité avec les procédures décrites dans ISO 281:1990. Les charges indiquées dans ce catalogue s'appliquent aux roulements en acier chromé, soumis à un traitement thermique à une dureté minimum de 58 HRC, dans des conditions de fonctionnement normales. Les roulements de la gamme SKF Explorer témoignent parmi d'autres de l'amélioration des matériaux et des techniques de fabrication mis en oeuvre par SKF et utilisent un coefficient révisé pour calculer les charges dynamiques de base conformément à ISO 281:1990. La durée d'un roulement est définie par

– le nombre de tours ou

– le nombre d'heures de fonctionnement à une vitesse donnée que celui-ci peut effectuer avant l'apparition des premiers signes de fatigue (écaillage) sur une bague ou un élément roulant. Cependant les applications pratiques ont prouvé que des roulements identiques fonctionnant dans les mêmes conditions n'ont pas la même durée. Il faut donc donner au terme « durée » une définition plus précise pour le calcul des dimensions du roulement. D'où la notion de durée nominale qui, conformément aux recommandations ISO, est la durée atteinte ou dépassée par 90 % des roulements apparemment identiques fonctionnant dans les mêmes conditions. La formule de durée nominale d'un roulement selon ISO 281:1990 est L 10 = (C/P)p Lorsque la vitesse de rotation est constante, il est généralement plus pratique d'exprimer la durée nominale en heures de fonctionnement à l'aide de la formule suivante L 10 h = 106/(60n) L10

L10 = durée nominale (90 % de fiabilité), millions de tours

L10 = durée nominale (90 % de fiabilité), heures de fonctionnement

C = charge dynamique de base, kN

P = charge dynamique équivalente, kN

n = vitesse de rotation, tr/min

p = exposant de la formule de durée

3 pour les roulements à billes

10/3 pour les roulements à rouleaux Charge dynamique équivalente pour les roulements rigides à bille :

Les facteurs e et Y dépendent de la relation f0 Fa/C0, où f0 est un facteur de calcul, Fa la composante axiale de la charge et C0 la charge statique de base. Dans notre cas, les valeurs seront directement données avec les caractéristiques du roulement rigide à billes.

Pour les roulements à rouleaux cylindriques, la charge dynamique se calcule ainsi : - Lorsque des roulements à rouleaux cylindriques sont utilisés comme paliers libres P = Fr

- Si des roulements avec épaulements sur les bagues intérieure et extérieure sont utilisés pour guider l'arbre axialement dans un sens ou dans les deux, la charge dynamique équivalente sera calculée en utilisant

P = Fr lorsque Fa/Fr ≤ e

P = XFr + YFa lorsque Fa/Fr > e

P = Fr lorsque Fa/Fr ≤ e P = 0,92 Fr + YFa lorsque Fa/Fr > e


Epreuve de Conception Mécanique, I2IC …, 2°A POIC, INSA Toulouse, Mai 2010 17/20


e 0,19 Y 2,3


Graphe de liaison

Schéma cinématique

Moteur et Carter

Fuselage avion

Arbre Moteur

Plan horizontal

Ecrou

Vis

Arbre intermédiaire

1

Arbre intermédiaire

2

Arbre moteur Arbre intermédiaire 1 Arbre intermédiaire 2 Vis Carter Plan horizontal

NoBack

Fuselage avion

Moteur

Document réponse DR1 NOM : Prénom :


Chaine d’informations et d’énergie (voie électrique seulement)

ALIMENTER

Cables Régulateurs

DISTRIBUER

Contacteur Relais

ACQUERIR

Codeur incrémental Capteurs

TRAITER

Flight Control Computer

COMMUNIQUER

Interface + bus

Partie à compléter

ORIENTER la gouverne

Berceau Ecrou + Bielle

Ordres cockpit

U I Energie

électrique

Chaine d’informations

Chaine d’énergie

Electricité

Plan horizontal en Position initiale

Plan horizontal en Position finale (incliné)

Document réponse DR2 NOM : Prénom :