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Sommaire I. Introduction 1 II. Analyse fonctionnelle 1 – 2 III. Traduction du besoin en fonctions techniques 3 – 5 3.1- Architecture 3 – 4 3.2- Fonctions étudiées 5 IV. Conception préliminaire 5 – 10 4.1- Recherche de solutions pour la fonction FT1 5 – 6 4.2- Recherche de solutions pour la fonction FT2 7 – 8 4.3- Recherche de solutions pour la fonction FT3 8 – 9 4.4- Recherche de solutions pour la fonction FT4 9 – 10 4.5- Recherche de solutions pour la fonction FT5 10 V. Conception détaillée 11 – 45 5.1- Étude statique 11 – 12 5.2- Conception de la fonction technique FT1 13 – 28 5.3- Conception de la fonction technique FT2 28 – 41 5.4- Conception de la fonction technique FT3 41 5.5- Conception de la fonction technique FT4 41 – 44 VI. Pré-industrialisation 45 – 54 6.1- Présentation de la pièce 45 6.2- Spécification des conditions fonctionnelles 45 – 50 6.3- Procédé de mise en forme 50 – 51 6.4- Étude de moulage 51 – 54 VII. Divers 55 VIII. Conclusion 56 Dossier annexes 57 – 61

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Page 1: Sommaire - DoYouBuzz · 2.3- Critères du cahier des charges fonctionnelles à respecter : ... Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI Application des charges

Sommaire I. Introduction 1

II. Analyse fonctionnelle 1 – 2

III. Traduction du besoin en fonctions techniques 3 – 5

3.1- Architecture 3 – 4

3.2- Fonctions étudiées 5

IV. Conception préliminaire 5 – 10

4.1- Recherche de solutions pour la fonction FT1 5 – 6

4.2- Recherche de solutions pour la fonction FT2 7 – 8

4.3- Recherche de solutions pour la fonction FT3 8 – 9

4.4- Recherche de solutions pour la fonction FT4 9 – 10

4.5- Recherche de solutions pour la fonction FT5 10

V. Conception détaillée 11 – 45

5.1- Étude statique 11 – 12

5.2- Conception de la fonction technique FT1 13 – 28

5.3- Conception de la fonction technique FT2 28 – 41

5.4- Conception de la fonction technique FT3 41

5.5- Conception de la fonction technique FT4 41 – 44

VI. Pré-industrialisation 45 – 54

6.1- Présentation de la pièce 45

6.2- Spécification des conditions fonctionnelles 45 – 50

6.3- Procédé de mise en forme 50 – 51

6.4- Étude de moulage 51 – 54

VII. Divers 55

VIII. Conclusion 56

Dossier annexes 57 – 61

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PROJET MANÈGE FLIPPER

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Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI

I. Introduction

Dans le cadre de la formation de Brevet de Technicien Supérieur en Conception de Produits

Industriels au lycée Louis Armand à Nogent sur Marne, nous sommes tenus d’accomplir tout

au long de notre deuxième année, un thème en collaboration avec une entreprise.

L’objectif de ce thème industriel est d’acquérir des méthodes pour effectuer une étude

complète d’un système mécanique.

Le thème industriel qui nous a été proposé par l’entreprise « JPS SA » est un manège Flipper.

Le but est de concevoir la structure métallique du manège qui permettra l’installation de

celui-ci.

II. Analyse fonctionnelle

2.1- Enoncé du besoin :

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Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI

2.2- Diagramme des intéracteurs :

2.3- Critères du cahier des charges fonctionnelles à respecter :

Voici les critères du cahier des charges que nous avons établi à partir de l’analyse

fonctionnelle globale sur lesquels je vais devoir m’appuyer pour la conception de ma partie :

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Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI

Châssis

Panneaux

Camion

Roues

Chevalets

Système de levage

Pieds stabilisateurs

III. Traduction du besoin en

fonctions techniques

3.1- Architecture :

Architecture de l’ensemble remorque :

Vérins Chevalets

Panneaux

Pieds stabilisateurs

Châssis

Liaison mécanique

Lien électrique

Lien hydraulique

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Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI

Graphe des liaisons :

Schéma cinématique :

L’ensemble modélisé en gras est la partie que je vais devoir concevoir.

Remorques

Système de levage

Panneaux

Système de verrouillage

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Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI

3.2- Fonctions étudiées :

Les fonctions techniques ont été réparties entre quatre personnes. Les fonctions sur lesquelles

je vais devoir porter mes études sont les suivantes :

IV. Conception préliminaire

4.1- Recherche de solutions pour la fonction technique FT1 :

FP1: Permettre aux forains de transporter le manège

FP2: Servir de structure pour l’installation du manège

FP3: Stabiliser le manège

FT1: Utiliser deux remorques

FT2: Guider les vérins en rotation par rapport au châssis

FT3: Guider les chevalets en rotation par rapport au châssis

FT4: Guider les panneaux en rotation par rapport au châssis

FT5: Immobiliser les deux remorques

Fonctions de service Fonctions techniques

FT1: Utiliser deux remorques

FT11: Choisir deux remorques

FT12: Assembler les deux remorques

Semi-remorques

Assemblage par brochage

Fonctions techniques Solutions

Critères de choix de la remorque :

• Longueur maximale de 15 mètres

• Largeur maximale de 2,4 mètres

• Hauteur minimale de 1,1 mètres

• 2 essieux minimum

• Charge maximale supportée supérieure à 15 tonnes

• Pieds stabilisateurs inclus si possible

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Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI

Après plusieurs recherches, j’ai trouvé une remorque qui pourrait m’intéresser. C’est une

remorque routière vendue par A.C.T.M sous la référence S34315R (voir annexe n°1). Elle

possède des pieds stabilisateurs, ce qui évitera d’en concevoir pour assurer l’ancrage au sol.

Concernant le montant de cette remorque, un devis a été demandé au service commercial

de l’entreprise et est toujours en attente de réponse.

A la vue de ces caractéristiques, tous les critères de choix sont respectés. De plus, si on a

besoin de modifier les dimensions de la remorque, cela est possible. En effet, on peut partir

sur la forme de cette remorque et adapter les dimensions souhaitées car l’entreprise fait aussi

de la fabrication sur mesure.

En ce qui concerne l’assemblage des deux remorques, cela se fera par brochage. Ce

procédé m’a été conseillé par l’entreprise JPS.

Caractéristiques de cette remorque :

• Longueur de 13,6 mètres

• Largeur de 2,53 mètres

• Hauteur de 0,93 mètres

• 3 essieux

• Charge maximale supportée 27 tonnes

• Matériau acier

• Surface du châssis lisse • Pieds stabilisateurs inclus

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Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI

4.2- Recherche de solutions pour la fonction technique FT2 :

La solution la plus probable pour la réalisation de cette liaison pivot est d’utiliser une pièce

intermédiaire : une chape. Celle-ci permettrait d’arrêter axialement le vérin. L’arrêt radial se

fera par le biais d’un axe guidé en rotation par l’intermédiaire de coussinets ou de

roulements. Le choix entre les deux solutions se fera sur plusieurs paramètres : grandeur des

efforts, vitesse de rotation de l’arbre, température de fonctionnement…

FT2: Guider les vérins en rotation par rapport au châssis

FT21: Faciliter les mobilités Rx

FT22: Interdire les mobilités Tx, Ty, Tz, Ry et Rz

Coussinets

Fonctions techniques Solutions

FT23: Assurer la précision du guidage

FT211: Utiliser le frottement

FT212: Réduire les actions de frottement

FT2121: Choisir un couple de matériaux ayant un faible coefficient de frottement

Acier/PTFE

FT221: Créer des contacts entre solides

Contact cylindrique

Contact surfacique

FT232: Définir un jeu axial

FT231: Définir un jeu radial

H8/f7

Jeu moyen= 3,5 mm

Liaison pivot châssis/vérins

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Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI

Critères de choix des coussinets :

Lubrification

Entretien

Pollution de l’environnement

Résistance à la corrosion

Température de fonctionnement

Charges

Chocs et vibrations

Vitesses de glissement

Coefficient de frottement

Ajustement de l’arbre et du logement

Dureté de l’arbre

Rugosité de l’arbre

Critères de choix des roulements :

Charges

Encombrement

Précision

Vitesse de rotation

Rigidité

Fonctionnement silencieux

Déplacement axial

Joints intégrés

Montage et démontage

4.3- Recherche de solutions pour la fonction technique FT3 :

FT3: Guider les chevalets en rotation par rapport au châssis

FT31: Faciliter les mobilités Rx

FT32: Interdire les mobilités Tx, Ty, Tz, Ry et Rz

Coussinets

Fonctions techniques Solutions

FT33: Assurer la précision du guidage

FT311: Utiliser le frottement

FT312: Réduire les actions de frottement

FT3121: Choisir un couple de matériaux ayant un faible coefficient de frottement

Acier/PTFE

FT321: Créer des contacts entre solides

Contact cylindrique

Contact surfacique

FT332: Définir un jeu axial

FT331: Définir un jeu radial

H8/f7

Jeu moyen= 3,5 mm

Liaison pivot châssis/chevalets

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Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI

La solution la plus probable pour la réalisation de cette liaison pivot est d’utiliser une pièce

intermédiaire : une chape. Celle-ci permettrait d’arrêter axialement le chevalet. L’arrêt radial

se fera par le biais d’un axe guidé en rotation par l’intermédiaire de coussinets ou de

roulements. Le choix entre les deux solutions se fera sur plusieurs paramètres : grandeur des

efforts, vitesse de rotation de l’arbre, température de fonctionnement…

On pourra utiliser la même chape pour les deux liaisons, il faudra dimensionner la chape à

partir de la liaison où les efforts sont les plus élevés.

4.4- Recherche de solutions pour la fonction technique FT4 :

Pour réaliser cette liaison, j’ai pensé utiliser des charnières. Cela permettra de mettre les

panneaux précisément à l’horizontal lors de la désinstallation du manège.

FT4: Guider les panneaux en rotation par rapport au châssis

Charnières

Fonctions techniques Solutions

Liaison pivot châssis/panneaux

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Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI

L'entreprise Pinet est spécialisée dans la fabrication de charnières. Dans leurs modèles

standards, la longueur des charnières peut aller jusqu’à 2040 mm. En cas de besoin,

l’entreprise peut aussi faire de la fabrication sur mesure.

Cependant, il est préférable de prendre des charnières standards. La largeur des panneaux

centraux étant de 2,5 mètres, il faudra dans ce cas prendre plusieurs charnières pour la

réalisation de cette liaison.

4.6- Recherche de solutions pour la fonction technique FT5 :

FT5: Immobiliser les deux remorques

Pieds stabilisateurs

Fonctions techniques Solutions

FT51: Assurer la mise en position

Critères de choix :

• Dimensions

• Matériau

• Résistance à la corrosion

Pieds stabilisateurs

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Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI

V. Conception détaillée

5.1- Etude statique :

5.1.1- Création du modèle de calcul :

J’ai réalisé une étude statique à l’aide du logiciel RDM Ossatures afin de déterminer les efforts

appliqués en chaque point de liaison dans le but ensuite de pouvoir dimensionner les pièces

nécessaires à ma conception.

Placement des noeuds :

Pour commencer la création de ce modèle, j’ai tout d’abord placé les nœuds (les points) de

chaque liaison du système suivant les coordonnées X et Y. Les coordonnées ont été

déterminées à partir de l’étude dynamique faite par Christophe.

Modélisation des poutres :

Ensuite, il a fallu créer des poutres entre les nœuds.

Les cercles verts correspondent à des liaisons internes au système.

Création des liaisons :

Nous avons mis une rotule (cercle rouge) qui correspond à la liaison pivot entre les panneaux

et le châssis. Puis, trois appuis fixes (triangles rouges) qui correspondent aux liaisons pivots

entre les vérins et le châssis.

X

Y

X

Y

Panneaux

Ensemble

vérins X3 Châssis

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Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI

Application des charges :

Pour finir ce modèle de calcul, on a appliqué une charge de 120 000 N (effort déterminé par

Jérémy à partir de la masse de ses panneaux) sur l’ensemble de la pente de 40 mètres. C’est

un effort réparti également sur toute la longueur.

5.1.2- Bilan des efforts :

Voici le récapitulatif des efforts calculés par RDM Ossatures qui sont appliqués sur les liaisons

sur lesquelles je travaille. Le point 5 correspondant à l’encastrement entre les remorques.

Quand je ferai des études RDM, je m’appuierai sur ces efforts pour dimensionner mes pièces.

Efforts au point 1 : Ry= 14 058,2 N

Efforts au point 2 : Ry= 30 674,1 N

Efforts au point 3 : Ry= 22 257,4 N

Efforts au point 4 : Ry= 32 730,3 N

Efforts au point 5 : N= 6 850,5 N ; Ty= -268,4 N ; Mfz= -2 147,4 N

X

Y

X

Y

4 3 2

1

5

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5.2- Conception de la fonction technique FT1 :

5.2.1- Conception des remorques :

Suite à une conversation avec monsieur Jean-Pierre Santin, qui est le directeur de JPS et notre

principal coordinateur pour ce projet, il m’a fait savoir que les entreprises qui fabriquent des

remorques sur mesures achètent seulement les essieux des remorques comme éléments

standards. C'est-à-dire que le châssis peut être totalement libre au niveau des dimensions.

Dans mon cas, il faut que je respecte certaines dimensions.

Modélisation du châssis :

Je vais partir sur des remorques avec une longueur de 15 mètres comme l’entreprise me

l’avait spécifié dans le cahier des charges initial. La largeur de la remorque sera de 2,4

mètres.

Voilà pour l’encombrement général des remorques. Ensuite, j’ai modélisé quelques détails du

châssis (pieds stabilisateurs, tête d’attelage…).

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Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI

Le matériau à utiliser pour la conception de ce châssis m’a

été imposé par JPS. Celui-ci est un acier S355J0 (conforme à

la norme EN 13814, voir annexe n°2). Cette norme servira au

choix des matériaux de toutes les pièces à concevoir.

Modélisation des essieux :

Pour la modélisation des roues, j’ai pris des pneus de 33 pouces, ce qui correspond à environ

850 mm de diamètre.

Ensuite, j’ai procédé à la modélisation des jantes.

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Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI

Et finalement, j’ai conçu une barre d’essieu, de manière à ce que l’essieu ait une largeur

totale de 2,5 mètres, tout comme le châssis.

Ensuite, j’ai assemblé les jantes, les pneus et la barre d’essieu pour faire un essieu complet.

Assemblage des sous-ensembles :

Ensuite, j’ai procédé à l’assemblage des essieux sur le châssis pour pouvoir créer la

remorque.

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Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI

5.2.2 – Assemblage des remorques :

Le principe de l’assemblage entre les deux remorques est de réaliser une liaison

encastrement par le biais d’axes pour goupilles et de goupilles type « Bêta ». Les axes

serviront au centrage des deux remorques par le biais de deux supports directement soudés

au châssis de chacune de celles-ci.

Choix des axes de liaison :

J’ai conçu des axes de liaison DIN EN 22341 pour goupilles de type standard en acier S235

(voir annexe n°1) qui est un matériau généralement utilisé pour les arbres et les axes

(matériau conseillé par Monsieur Santin) en m’appuyant sur des modèles standards existants

dans la bibliothèque de composants CAO Trace Parts. Le fournisseur proposant ces axes est

MBO Osswald. Il faut donc déterminer le diamètre minimal à prendre pour résister aux

charges définies précédemment. Pour toutes les études RDM à venir, on prendra comme

coefficient de sécurité cs=4 (valeur conseillée par monsieur Santin). Pour le moment, on

prendra arbitrairement un axe de diamètre d=20 mm pour réaliser notre étude. D’après mon

étude statique réalisée avec RDM Ossatures, cet axe est soumis à l’effort normal N de 6850 N

trouvé au nœud 5 :

Données matériau :

On va tout d’abord dimensionner l’axe en flexion dans une étude RDM.

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Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI

La contrainte maximale sur cet axe doit être donc inférieure à 58,75 Mpa. On va calculer

dans le cas d’un axe de diamètre 20 mm la contrainte maximale subite par cet axe grâce au

logiciel RDM Flexion.

Création du modèle :

Pour commencer, il faut entrer les abscisses (en mm) des différents nœuds de l’axe étudié :

Ensuite, il faut créer une poutre de type cylindre de diamètre 20 mm passant par les 3 nœuds

qui ont été placés.

Après cela, il faut placer les liaisons nodales. Celles les plus adaptées pour une étude de

flexion sont les appuis simples.

• Nœud 1 (extrémité gauche de l’axe) : 0 mm

• Nœud 2 (point d’application de l’effort) : 40 mm

• Nœud 3 (extrémité droite de l’axe) : 80 mm

Cylindre Ø 20 mm

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Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI

Il y a un effort tranchant de 6850,5 N suivant l’axe Y appliqué au nœud 2. Dans le logiciel, Il

faut le représenter comme une charge nodale et non comme une charge uniformément

répartie.

Le modèle est maintenant finalisé. On peut donc maintenant effectuer le lancement du

calcul.

Visualisation des résultats :

Après le lancement du calcul, le logiciel nous donne différents résultats : déformée de la

poutre, effort tranchant, moment fléchissant, répartition des contraintes.

La flèche maximale s’élève à 0,0443 mm, elle est donc négligeable.

Charge nodale

de -6850.5 N

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Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI

La contrainte maximale sur un axe de diamètre 20 mm s’élève donc à 174,45 Mpa. Cette

valeur est très supérieure à 58,75 Mpa (contrainte maximale à respecter). Maintenant, il faut

déterminer le diamètre minimal de l’axe pour que ce paramètre soit respecté.

Optimisation :

Pour optimiser mon étude, il faut entrer la contrainte que l’on veut respecter dans la rubrique

« Optimiser ».

Ensuite, il faut lancer le calcul pour que le logiciel détermine le diamètre minimal de l’axe

pour respecter cette contrainte.

Il faut donc prendre un diamètre normalisé minimal de 30 mm. Suite à une discussion avec

Monsieur Santin, il m’a conseillé de prendre un diamètre de 40 mm (ceci est dû à tous les

autres efforts extérieurs appliqués à l’axe qui ont été négligés). Je peux donc m’inspirer de

l’axe standard suivant :

Ø nominal Ø tête Longueur Ø alésage goupille

40 mm 55 mm 100 mm 8 mm

Après une demande de devis effectuée auprès de l’entreprise MBO Osswald (voir annexe

n°3), le montant pour deux axes de liaison s’élève à 132,44€.

Pour la modélisation de ces axes, j’ai pris les fichiers CAO sur le site Trace Parts. Je n’ai juste

qu’à appliquer le matériau des axes dans Solidworks.

Choix des goupilles « Bêta » :

Maintenant que les axes ont été choisis, il faut choisir les goupilles « Bêta » qui vont avec. J’ai

trouvé un fournisseur de goupilles « Bêta » : L’étoile. Ils ont une gamme de goupilles « Bêta »

en acier zingué de plusieurs dimensions possibles.

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Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI

Dans notre cas, les alésages des axes (ceux qui ont été choisi) pour les goupilles sont de

diamètre 8 mm. Je vais donc prendre des goupilles avec un diamètre de fil de 6 mm

(monsieur Santin m’a imposé du jeu dans cette liaison pour faciliter l’installation par les

forains). Elles sont utilisables pour des axes ayant un diamètre nominal variant de 30 à 40 mm,

je peux donc valider mon choix pour cette référence.

Ø du fil Longueur Ø axes

6 mm 110 mm de 30 à 40 mm

Pour la modélisation de ces goupilles, j’ai procédé de la même manière que pour les axes.

J’ai ensuite appliqué le matériau sur celles-ci dans Solidworks.

Conception des supports avant :

Pour commencer, j’ai conçu des supports avec des dimensions approximatives en attendant

de faire une étude RDM.

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Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI

Étude RDM du support avant :

Avant de réaliser une analyse par éléments finis de ce support, il faut lui appliquer un

matériau. C’est une pièce statique qui sera soumise à d’importants efforts. Le matériau le plus

approprié pour cette configuration est un acier S355 (voir annexe n°2).

Maintenant, je peux réaliser une étude statique de cette pièce grâce au module

« Simulation » de Solidworks.

Tout d’abord, il faut réaliser le modèle de la pièce. Pour se faire, il faut commencer par

spécifier les mouvements imposés de la pièce.

Cette pièce est soumise à l’effort de traction de 6850 N au niveau des alésages donc à 3425

N par alésage. On assimilera cet effort par un chargement de palier.

Il faut maintenant mailler la pièce le plus finement possible pour que les résultats obtenus

soient le plus proche de la réalité.

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Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI

On a tous les éléments nécessaires à la création d’un modèle. Il faut maintenant exécuter le

calcul. Il y a plusieurs résultats à interpréter.

Premièrement, je vérifie la déformation de la pièce.

Dans la réalité, la pièce aura tendance à se déformer de cette façon.

Ensuite, il faut vérifier le déplacement maximal d’un point.

Déformation équivalente amplifiée 20 000 fois

Déplacements (mm)

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Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI

Ici, le déplacement maximal est très faible et négligeable.

Enfin, il faut vérifier la contrainte de Von Misès maximale appliquée à cette pièce.

Dans notre cas, le matériau est un acier S355.

La contrainte maximale doit donc être strictement inférieure à 88,75 Mpa.

La valeur maximale est très inférieure à 88,75 Mpa. Donc, les dimensions actuelles peuvent

convenir.

Conception des supports arrière :

J’ai procédé de la même manière que pour les supports avant. J’ai commencé par

concevoir les supports avec des dimensions choisies arbitrairement.

Répartition de la contrainte de Von Mises (Mpa)

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Régis Vacheresse ~ Conception de l’ensemble remorque ~ BTS CPI

Étude RDM du support arrière :

Avant de réaliser une analyse par éléments finis de ce support, il faut lui appliquer un

matériau. C’est une pièce statique qui sera soumise à d’importants efforts. Le matériau le plus

approprié pour cette configuration est un acier S355 (voir annexe n°2).

Je procède de la même manière pour créer mon modèle de calcul.

Cette pièce est soumise à l’effort de traction de 6850 N au niveau de l’alésage.

Ensuite, j’ai créé le maillage de la pièce.

Effort de

6850 N

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Maintenant, je lance le calcul et j’interprète tous les résultats qui me sont donnés.

C’est le même type de déformation que le support avant. Mon modèle est donc correct.

J’effectue maintenant la vérification des déplacements.

Le déplacement maximal est de même négligeable pour ce support.

En ce qui concerne la contrainte de Von Mises, la valeur à respecter reste la même (88,75

Mpa) puisqu’on utilise le même matériau.

Déformation équivalente amplifiée 50 000 fois

Déplacements (mm)

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La valeur maximale est très inférieure à 88,75 Mpa. Donc, les dimensions actuelles peuvent

convenir.

Calcul des cordons de soudures :

Maintenant que j’ai toutes les pièces nécessaires à la réalisation de cet assemblage, je n’ai

plus qu’à effectuer les soudures entre les supports et le châssis des deux remorques.

Premièrement, je calcule les soudures pour les supports avant. Celles-ci subiront l’effort de

traction induit par les axes de liaison.

Dans ce cas, j’utilise des soudures d’angle qui sont les plus appropriées dû au positionnement

des pièces à souder. Il faut maintenant déterminer l’épaisseur minimale des cordons de

soudure. La longueur à souder à prendre en compte est le périmètre de la pièce concernée.

En construction une largeur de 1 mm n’est pas possible, on prendra donc des cordons de

soudure de 5 mm.

Répartition de la contrainte de Von Mises (Mpa)

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On prendra plutôt des cordons de type convexe qui supporteront mieux les efforts appliqués.

J’ai utilisé une fonction d’assemblage de Solidworks nommée « cordon de soudure » pour

pouvoir les modéliser.

J’ai suivi la même procédure pour calculer les cordons de soudure pour supports arrière.

Pour les mêmes raisons que précédemment, on prendra des cordons de soudure de 5 mm.

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Assemblage des sous-ensembles :

Maintenant, je n’ai plus qu’à

assembler toutes mes pièces dans

Solidworks. Finalement, après

réflexion, je me suis rendu compte

qu’il était très compliqué d’aligner

les deux remorques pendant

l’installation. Il faut donc articuler

les supports arrière pour compenser

le défaut d’alignement. Par

manque de temps, je n’ai pas pu

réaliser cette étude.

5.3 – Conception de la fonction technique FT2 :

5.3.1- Choix des composants de guidage en rotation :

La durée de montée de la pente du manège dure environ 120 secondes (paramètre

déterminé par Christophe). Durant cette phase, le vérin passe donc de la position horizontale

à la position quasiment verticale (un quart de tour) en 120 secondes. La vitesse de rotation du

corps du vérin par rapport au châssis est de 0,125 tr/min. Cette vitesse est vraiment très faible,

j’ai donc jugé qu’il n’était pas nécessaire de prendre des roulements. Ce choix a été validé

par Monsieur Santin. Je choisis donc des coussinets plutôt que des roulements pour permettre

ce guidage en rotation.

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Choix du type de coussinets :

J’ai fait des recherches sur le site de l’entreprise SKF, qui est un fabricant de coussinets. Il y a

plusieurs matériaux disponibles pour des coussinets :

• Bronze massif

• Bronze fritté

• Bronze roulé

• Composite PTFE

• Composite POM

• Composite sur support inoxydable

• Polyamide PTFE

• Fibres multicouches

Il faut donc que je détermine, parmi tous ces types de coussinets, celui qui est le plus

approprié dans ma situation.

Caractéristiques générales :

Voici dans le tableau ci-dessous les différentes caractéristiques générales des coussinets en

fonction des matériaux. Il faudra que je prenne en compte ces données pour faire mon

choix.

Bronze

massif

Bronze

fritté

Bronze

roulé PTFE POM

Support

inox

Poly

PTFE

Fibres

multi

Auto

lubrification - + - ++ + ++ ++ ++

Entretien - + 0 ++ + ++ ++ ++

Résistance

pollution + 0 ++ - 0 - - +

Résistance

corrosion + 0 + 0 0 ++ ++ ++

Chocs et

vibrations + 0 + 0 0 0 - ++

Coût 0 + + ++ ++ - ++ -

Caractéristiques techniques :

Il y aussi, bien évidemment, des caractéristiques techniques sur lesquelles je vais devoir

m’appuyer pour choisir le type de coussinets qu’il me faut.

++ : Convient particulièrement + : Convient 0 : Acceptable - : Ne convient pas

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Détermination d’un indice de performance :

Sachant qu’il y a plusieurs paramètres à prendre en compte pour choisir le type de

coussinets, il faut que je fasse mon choix grâce à un indice de performance. Dans mon cas, il

faut maximiser la charge admissible et l’auto lubrification et minimiser le coût, l’entretien et le

coefficient de frottement. L’indice se calculera donc en un quotient où l’on mettra le produit

des paramètres à maximiser au numérateur et le produit des paramètres à minimiser au

dénominateur.

On calculera ensuite la valeur de cet indice pour chaque type et on choisira le type ayant

l’indice le plus élevé.

Exemple : calcul de I pour le bronze massif :

D’après les résultats, il faut donc prendre des coussinets en composite PTFE.

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Dimensionnement des coussinets :

Le diamètre de l’arbre étant de 120 mm (déterminé par Christophe), il faut donc un diamètre

intérieur de 120 mm pour les coussinets. Il faut maintenant calculer la longueur utile des

coussinets tout en vérifiant la pression spécifique admissible par les coussinets. Dans notre

cas, la pression spécifique à respecter est 62,5 Mpa en prenant en compte un coefficient de

sécurité de 4 (composite PTFE donc 250 Mpa de pression spécifique admissible en statique).

D’après l’étude dynamique définie par Christophe, les coussinets subiront l’effort maximal de

poussée développé par un vérin qui est de 322 652 N, donc 161 326 N par coussinet (effort

horizontal car les vérins sont en position horizontale au début de la phase de montée).

Il faut donc prendre des coussinets ayant un diamètre intérieur minimal de 120 mm et une

longueur minimale de 22 mm. J’ai regardé dans le catalogue SKF (voir annexe n°4) et j’ai

trouvé un coussinet qui convient.

En ce qui concerne la modélisation de ces

coussinets, j’ai téléchargé directement les

fichiers CAO sur le site internet de SKF.

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5.3.2- Conception des chapes d’articulation :

Première conception :

J’ai commencé par réaliser une première esquisse en fonction de plusieurs paramètres liés à

la conception de Christophe. La largeur totale du système de levage et de 500 mm

comprenant deux vérins et deux poutres.

J’ai pris également en compte la dimension de 60 mm qui correspond à la largeur des

coussinets. Pour finaliser la modélisation de cette pièce, je n’ai plus qu’à prendre en compte

les diamètres extérieurs des coussinets qui sont de 125 mm pour ainsi faire les alésages sur la

pièce.

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Analyse par éléments finis :

Afin de vérifier si ma pièce est bonne, il est nécessaire d’effectuer une étude statique grâce à

une analyse par éléments finis.

Application du matériau :

Le matériau que j’utilise dans cette étude est un acier S235. Celui-ci m’a été conseillé par

monsieur Santin pour la conception de ma chape.

Détermination des mouvements imposés :

La chape d’articulation sera soudée sur le châssis de la remorque donc la surface plane du

dessous sera considérée comme étant une géométrie fixe.

Application des efforts :

La chape est soumise aux efforts des vérins transmis par les coussinets. De ce fait, j’applique

un effort horizontal de 161 326 N par alésage.

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Création du maillage :

Ensuite, il faut mailler la pièce le plus finement possible pour pouvoir obtenir des résultats les

plus réalistes possibles.

Interprétation des résultats :

La pièce aurait tendance à se déformer comme ceci dans la réalité.

Déformation équivalente amplifiée 100 fois

Déplacements (mm)

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Le déplacement maximal est de 0,67 mm et donc n’est pas négligeable.

La contrainte maximale sur cette pièce s’élève à 476,9 Mpa. La contrainte à respecter est de

58,75 Mpa, cette pièce ne résiste donc pas aux charges appliquées. Il faut donc optimiser

cette pièce pour qu’elle résiste aux efforts subis. Pour se faire, il faut épaissir la pièce aux

endroits où les contraintes sont trop élevées.

Optimisation de la pièce :

Pour effectuer une optimisation dans les meilleures conditions, il est important de bien définir

trois paramètres indispensables : l’objectif, les limites et les variables. Dans mon cas, l’objectif

de celle-ci est de respecter la contrainte de Von Mises maximale de 58,75 Mpa (limite). Pour

ceci, il faut modifier quelques dimensions. Celles qui sont modifiables sont toutes les

dimensions qui n’ont pas d’influence sur la conception comme, par exemple, la profondeur

de rainure.

Répartition de la contrainte de Von Mises (Mpa)

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Après quelques modifications de dimensions et de formes, voici la pièce optimisée au final.

La masse de cette pièce s’élève à environ 127,6 kg.

Sachant que le prix de l’acier est d’environ 550

€/tonne, le prix en matière première pour cette pièce

s’élèverait à environ 70 €.

Il faut maintenant vérifier que cette pièce respecte bien le critère de résistance.

La contrainte maximale est de 43,1 Mpa, ce qui est inférieur à 58,75 Mpa. En ce qui concerne

le déplacement, il s’élève à 0,05 mm au maximum, ce qui est négligeable. La pièce est donc

valide.

Répartition de la contrainte de

Von Mises (Mpa) Déplacements (mm)

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5.3.3- Assemblage des sous-ensembles :

Calcul des cordons de soudures:

Pour réaliser l’assemblage des chapes sur les châssis des remorques, j’utilise le soudage. Il

faut donc déterminer l’épaisseur minimale que doit avoir les cordons de soudure.

Dans mon cas, j’utilise des soudures d’angles qui sont les plus appropriées. J’ai entré les

paramètres suivants pour les créer :

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Assemblage des pièces :

J’ai commencé par assembler les coussinets dans les alésages des chapes.

Ensuite, il a fallu positionner les chapes par rapport aux remorques. Pour se faire, j’ai tenu

compte des positions relatives des liaisons entre elles (définies par Christophe lors de son

étude dynamique des vérins) : 9000 mm entre les centres des alésages des premières

chapes et l’avant de la remorque, et également 9000 mm entre les chapes. J’ai finalement

pu obtenir l’assemblage suivant.

9000 9000 9000

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5.4 – Conception de la fonction technique FT3 :

Pour cette fonction, qui correspond à la liaison pivot entre les chevalets et les remorques,

j’utilise exactement les mêmes chapes d’articulation et bien évidemment les mêmes

coussinets. Cela permettra de fabriquer les chapes en série et de réduire le coût de

fabrication.

5.5 – Conception de la fonction technique FT4 :

5.5.1 – Choix des vis :

Pour cette fonction qui correspond à la liaison pivot entre les panneaux centraux et le châssis

de la remorque avant par le biais d’une charnière, il faut commencer par déterminer le

diamètre minimal que doivent avoir les vis pour supporter l’effort d’arrachement défini par

l’étude statique grâce au logiciel RDM Ossatures (effort au point 1). Cet effort d’arrachement

est égal à environ 14060 N.

Dans notre cas, nous allons réaliser l’étude avec des vis en acier ayant une classe de

résistance 8.8 (classe autorisée par la norme EN 13814, voir annexe n°5). Pour des vis de cette

catégorie la limite élastique du matériau est : Re= 640 Mpa. Comme le coefficient de sécurité

est de 4, la limite élastique sera donc de 160 Mpa pour cette étude.

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Il faut donc prendre des vis M12 pour l’assemblage des charnières. Pour établir leur

modélisation dans Solidworks, j’ai utilisé la bibliothèque de composants CAO intégrée à

Solidworks nommée « Toolbox ».

5.5.2 – Choix de la charnière :

Jérémy a déterminé la charnière nécessaire chez le fournisseur Pinet. Voici ses dimensions

exactes :

Concernant la modélisation CAO des charnières, nous avons directement téléchargé les

fichiers sur le site de Pinet.

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5.5.3 – Conception du support de charnière :

J’ai tout d’abord commencé par faire une première esquisse correspond aux dimensions de

la charnière : longueur de 2100 mm et demi-largeur de 60 mm (la charnière fait 120 mm de

largeur au total). J’ai ensuite fait une extrusion de 100 mm afin de permettre un rehaussement

en bout de remorque, ce qui permettra de faire une place suffisante au système de levage

lors de la désinstallation du manège. Pour finir, j’ai réalisé des taraudages M12 pour recevoir

les vis choisies précédemment.

Maintenant, il faut réaliser les soudures pour assembler le support de charnière sur le châssis

de la remorque.

9 taraudages M12

14 060 N

2100

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En construction des cordons de soudure de 1 mm n’existent pas donc on prendra des

soudures avec une épaisseur de 5 mm.

5.5.3 – Assemblage des sous-ensembles :

Nous avons maintenant tous les éléments nécessaires pour satisfaire la fonction technique

FT4. J’ai procédé donc à l’assemblage.

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VI. Pré-industrialisation

6.1. - Présentation de la pièce :

6.1.1 - Fonction de la pièce étudiée :

La pièce étudiée nommée « chape d’articulation » a plusieurs fonctions. Elle sert

principalement à porter les coussinets, mais aussi à guider en rotation le système de levage

par rapport au châssis de la remorque.

6.1.2 – Série de fabrication :

Le manège Flipper est un prototype et sera fabriqué à l’unité donc la pièce « chape

d’articulation » va être fabriquée en série de 8 pièces (6 chapes pour le système de levage et

2 pour les chevalets). Tous les procédés de grandes séries sont donc exclus pour la

réalisation de cette pièce.

6.2. – Spécification des conditions fonctionnelles :

6.2.1 – Repérage des surfaces fonctionnelles :

Les schémas suivants représentent toutes les surfaces fonctionnelles de la pièce. Le tableau

joint les répertorie et indique leurs fonctions respectives.

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Surfaces Fonctions

GC1 Permet le montage et le maintien en position des coussinets (ajustement serré)

S1 Permet le positionnement de la chape sur le châssis (soudage)

S2 Permet l’arrêt axial du système de levage grâce à une liaison appui plan

S3 Permet l’arrêt axial du système de levage grâce à une liaison appui plan

S4 Surface d’appui des chapeaux

S5 Surface d’appui des chapeaux

6.2.2 – Conditions fonctionnelles :

Planéité des surfaces S1, S4 et S5

Parallélisme entre les surfaces GC1 et la surface S1

Perpendicularité entre GC1 et les surfaces S2 et S3

Coaxialité des deux portées de coussinets GC1

Ajustement serré des coussinets dans leur logement

Jeu Ja entre la surface S2 et le système de levage évitant le frottement entre les deux

pièces

6.2.3 – Jeu fonctionnel Ja :

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Pour garantir le bon fonctionnement de la liaison, il faut un jeu minimum et maximum entre la

chape d’articulation 1 et le bras inférieur 3 du système de levage. Pour se faire, j’impose un

jeu fonctionnel minimal de 2 mm et un jeu maximal de 5 mm. La chaîne de cotes faite

précédemment permettra de déterminer la cote moyenne a1 qui correspond à la largeur de

rainure de la chape.

D’après les résultats la cote moyenne et donc de 503,5 mm avec un intervalle de tolérance

de 1 mm. Je reporte donc ceci sur le dessin de définition de la chape.

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6.2.4 – Tableau d’analyse préparatoire à la spécification :

J’ai fait un tableau de préparation à la cotation (voir ci-dessus) qui permet de faciliter la mise

en plan de la chape d’articulation.

Premièrement, il faut que la surface S1 soit plane pour garantir la bonne mise en position sur

le châssis. De ce fait, je mets une spécification de planéité.

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Ensuite, il faut que les axes des surfaces cylindriques GC1 soient parallèles à la surface S1. De

plus, pour éviter que le système de lavage touche le fond de la rainure il faut les localiser par

rapport à cette même surface.

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Enfin, il faut garantir une quantité de matière identique de chaque côté pour recevoir les

coussinets convenablement dans chaque alésage. Pour se faire, j’établis une localisation des

surfaces extérieures S4 et S5 entre elles ainsi qu’une symétrie de celles-ci par rapport au plan

médian des surfaces S2 et S3.

6.3. – Procédé de mise en forme :

Il est évident que les surfaces fonctionnelles seront usinées. Mais, il faut choisir le procédé

primaire de mise en forme de la chape. Deux procédés s’ouvrent à moi : le moulage ou

l’usinage complet. J’ai comparé pour les deux solutions le volume de matière perdue.

Procédé d’usinage :

La pièce peut être usinée à partir d’un prisme 628 x 380 x 355.

Volume du brut : 84 717 cm³

Volume de la pièce finie : 16 849 cm³

Volume de matière perdue : 67 868 cm³

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Procédé de moulage :

La pièce peut être moulée en procédé primaire puis usinée pour obtenir les surfaces

fonctionnelles (représentées en rouge).

Le volume de matière perdue est nettement moins important avec le procédé de moulage.

Choix définitif du procédé de mise en forme :

Je choisis donc le moulage comme procédé primaire et l’usinage comme procédé

secondaire.

6.4. – Étude de moulage :

La fabrication des chapes d’articulation se fera en petite série. De ce fait, le moulage en

sable est le plus approprié.

6.4.1– Création du moule :

J’ai créé le moule nécessaire pour fabriquer les chapes en faisant une empreinte d’une

chape à l’intérieur d’un prisme qui servira de moule.

Volume du brut : 18 534 cm³

Volume de la pièce finie : 16 849 cm³

Volume de matière perdue : 1 685 cm³

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Ensuite, il a fallu que je fractionne le moule pour pouvoir obtenir deux parties bien distinctes :

un châssis supérieur et un châssis inférieur.

Empreinte de la chape

Châssis supérieur Perçage pour insertion

du noyau

Empreinte

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6.4.2– Modèle de moulage final :

Châssis inférieur

Noyau Châssis supérieur

Châssis inférieur Empreinte

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6.4.3 – Réalisation des congés :

Il ne faut pas d’angles vifs lorsqu’une pièce est moulée donc j’ai mis des congés de 5 mm (en

rouge) sur tous les angles vifs de la pièce.

6.4.4 – Analyse des dépouilles :

Pour faciliter le démoulage de la pièce, il doit y avoir des dépouilles sur certaines surfaces.

J’ai fait une analyse de dépouille qui permettra de déterminer les surfaces à dépouiller dans

le cas où le sens de démoulage sera vers le haut.

D’après l’analyse, il faut faire des dépouilles sur les surfaces jaunes.

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VII. Divers

7.1- Échéance du projet :

La conception détaillée, notamment la réalisation de la maquette numérique m’a pris

nettement plus de temps que prévu. Mais, j’ai pu rattraper mon retard grâce à la pré-

industrialisation qui m’a pris moins de temps que je le pensais. Finalement, la durée totale de

mon étude est estimée à environ 235 heures, ce qui est inférieur aux 240 heures que l’on

s’était fixées auparavant.

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VIII. Conclusion

Ce projet industriel de deuxième année qui nous a été confié m’a permis d’élargir et

d’enrichir mes connaissances avant mon entrée dans le monde du travail. Par ailleurs, il m’a

offert la possibilité de mettre en pratique les connaissances acquises au cours des deux

années passées.

Sur le plan personnel, ce projet m’a permis d’apprendre énormément sur la communication

au sein d’un groupe et surtout travailler en partenariat avec divers industriels.

D’autre part, le thème industriel m’a permis de suivre la démarche complète d’un projet du

début à la fin comme le font les entreprises.

Ce thème industriel m’a permis de réaliser l’importance des enjeux économiques.

Les délais sont également un point essentiel dans l’industrie. En effet, j’ai pris conscience de

la réalité du monde du travail et des entreprises à travers ces deux critères.

Je tiens à remercier Monsieur Santin pour nous avoir offert la possibilité de réaliser ce thème

industriel. Je remercie également mes professeurs Madame Contri, Madame Germain,

Monsieur Stauder et Monsieur Xerri pour nous avoir guidés tout au long du projet. Pour finir, je

remercie mon équipe de projet, cela a été un réel plaisir de travailler avec eux tout au long

de l’année.

Ce projet est la finalité de mon cursus de BTS CPI. Après ces deux années passées, mon envie

de travailler dans le secteur de la conception mécanique s’est accentuée. En effet, je

souhaite poursuivre mes études en apprentissage pour effectuer une licence professionnelle

pour ainsi me former aux métiers du domaine de la simulation numérique et du calcul en

mécanique.

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Annexe n°1

Extrait du catalogue ACTM - Trailor

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Annexe n°2

Extrait de la norme EN 13814 – Page 15

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Annexe n°3

Devis MBO Osswald – Axes de liaison

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Annexe n°4

Extrait du catalogue SKF – paliers lisses et coussinets

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Annexe n°5

Extrait de la norme EN 13814 – Page 51