Cours Etude de Conception MECA2

Ministère de l’Enseignement Supérieur - Université de Monastir Ecole Nationale d’Ingénieurs de Monastir

Département de Génie Mécanique

Fascicule de Cours

Etude de Conception Deuxième Année Génie Mécanique

A. BENAMARA 2005/2006

Tables de Matières Chapitre I : Analyse Fonctionnelle des Produits Mécaniques. ................................. 6 1.

DEFINITION...................................................................................................................................................... 6

2.

LES FONCTIONS:............................................................................................................................................. 6 2.1. CLASSEMENT EN FONCTION DE LA NATURE DU SERVICE ............................................................................... 6 2.1.1. La fonction de service ....................................................................................................................... 6 2.1.2. La fonction technique........................................................................................................................ 6 2.1.3. La fonction d'estime .......................................................................................................................... 7 2.2. CLASSEMENT EN FONCTION DE L'IMPORTANCE ............................................................................................. 7 2.2.1. La fonction principale....................................................................................................................... 7 2.2.2. La fonction secondaire ou complémentaire:..................................................................................... 7 2.2.3. Les fonctions temporaires ................................................................................................................. 8

3.

LES CONTRAINTES: ....................................................................................................................................... 8

4.

METHODOLOGIES DE RECENSEMENT DES FONCTIONS D’UN PRODUIT .................................... 8 4.1. LA METHODE INTUITIVE................................................................................................................................ 8 4.2. LA METHODE S.A.F.E : SEQUENTIAL ANALYSIS OF FUNCTION ESTIMATION..................................................... 8 4.2.1. Etude des séquences d'utilisation...................................................................................................... 9 4.2.2. Etude du cheminement des efforts et des mouvements:..................................................................... 9 4.3. L'EXAMEN DE L'ENVIRONNEMENT ............................................................................................................... 10 4.3.1. Exemple d’application : « Lève vitre électrique » .......................................................................... 10 4.4. EXAMEN D'UN PRODUIT CONCURRENT ........................................................................................................ 11

5.

CARACTERISATION DES FONCTIONS ................................................................................................... 11 5.1. LES CRITERES D’APPRECIATION DES FONCTIONS ......................................................................................... 11 5.2. NIVEAU DU CRITERE ................................................................................................................................... 11 5.3. FLEXIBILITE ................................................................................................................................................ 12 5.3.1. Limite d'acceptation: ...................................................................................................................... 12 5.3.2. Taux d'échange ............................................................................................................................... 12 5.3.3. Classe de latitude............................................................................................................................ 12

6.

EXEMPLE D'APPLICATION: CDCF D'UNE VANNE A COMMANDE PNEUMATIQUE. ................ 13

7.

METHODE DE CLASSEMENT DES FONCTIONS : DIAGRAMME FAST .......................................... 15 7.1. 7.2. 7.3. 7.4.

8.

LA METHODE FAST ................................................................................................................................... 15 RECHERCHE DES FONCTIONS DE SERVICES. ................................................................................................ 16 VALIDER LES FONCTIONS DE SERVICE ......................................................................................................... 17 EXEMPLE D’APPLICATION 2 : DIAGRAMME FAST D’UN ASPIRATEUR ......................................................... 18

LE CAHIER DES CHARGES FONCTIONNEL .......................................................................................... 19 8.1. DEFINITION ................................................................................................................................................. 19 8.2. ROLE DU CDCF .......................................................................................................................................... 19

9.

EXEMPLE D’APPLICATION I : LEVIER DE FREIN A MAIN............................................................... 20 9.1. PRESENTATION DU LEVIER DE FREIN A MAIN ............................................................................................... 20 9.2. ANALYSE FONCTIONNELLE DU BESOIN ....................................................................................................... 20 9.2.1. Diagramme pieuvre ........................................................................................................................ 21 9.2.2. Caractérisation des éléments du milieu environnent ...................................................................... 21 9.2.3. Caractérisation des FS : ................................................................................................................. 22

10. EXEMPLE D’APPLICATION II : CAPOT DE RAMPE D’UNE BATTERIE ......................................... 25 10.1. ANALYSE FONCTIONNELLE DU CAPOT DE RAMPE ........................................................................................ 26 10.2. RESISTANCE DES CROCHETS AU CISAILLEMENT .......................................................................................... 28 10.3. RESISTANCE DU CAPOT A LA FLEXION ......................................................................................................... 28

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10.4. POSITIONNEMENT DES BUTEES DE LIMITATION DE COURSE DE GLISSIERE ................................................... 29 10.5. CHOIX DU SEUIL D'INJECTION ...................................................................................................................... 29 10.6. POSITIONNEUR ............................................................................................................................................ 31 10.7. RETASSURE ET DEMOULAGE ....................................................................................................................... 31 10.8. PLAN DU CAPOT .......................................................................................................................................... 32

Chapitre II : Méthodes de Recherche des Solutions Technologiques. ................... 34 1.

INTRODUCTION ;.......................................................................................................................................... 34

2.

METHODOLOGIES DE CONCEPTION ..................................................................................................... 34

3.

PRINCIPALES ETAPES DU PROCESSUS DE CONCEPTION ............................................................... 35

4.

LA CONCEPTION PRELIMINAIRE ........................................................................................................... 36 4.1. NOTION DE PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT ................................................................................................ 37 4.2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT .................................................................................................................. 37 4.2.1. Exemple d’application. ................................................................................................................... 37 4.2.2. Principes de transformation et d’adaptation d’énergie : les actionneurs ...................................... 40 4.2.3. Principes de transformation et d’adaptation de mouvement : les mécanismes .............................. 40

5.

RECHERCHE DE SOLUTIONS TECHNOLOGIQUES. ........................................................................... 40 5.1. STRUCTURE, TOPOLOGIE, GEOMETRIE ET DIMENSIONS DES SOLUTIONS TECHNOLOGIQUES ......................... 41 5.2. EXIGENCES FONCTIONNELLES DE COMPORTEMENT MECANIQUE................................................................. 41

6.

EXEMPLE D’APPLICATION : SECATEUR INFACO.............................................................................. 42 6.1. RECHERCHE DE SOLUTION TECHNOLOGIQUE :............................................................................................. 42 6.2. CLASSEMENT DES SOLUTIONS TECHNOLOGIQUES ....................................................................................... 44 6.2.1. Développement de la solution 18 .................................................................................................... 44 6.2.2. Développement de la solution 17 .................................................................................................... 45 6.2.3. Détails techniques des modifications proposées............................................................................. 46

Chapitre III : Optimisation des solutions mécaniques par analyse de la valeur. . 50 1.

INTRODUCTION ;.......................................................................................................................................... 50

2.

VALORISATION DES FONCTIONS; .......................................................................................................... 50

3.

COUT D’UNE FONCTION............................................................................................................................. 50 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6.

DEFINITION DU CDCF DU PRODUIT............................................................................................................. 50 ETUDE DES COUTS DE FABRICATION DES COMPOSANTS............................................................................... 51 DEFINITION DES FONCTIONS TECHNIQUES LIEES AUX DIFFERENTS COMPOSANTS ........................................ 52 REPARTITION DES FONCTIONS TECHNIQUES SUR LES FONCTIONS PRINCIPALES : ......................................... 54 CALCUL DES COUTS DES FONCTIONS TECHNIQUES ...................................................................................... 56 CALCUL DES COUTS DES FONCTIONS PRINCIPALES ..................................................................................... 56

4.

BILAN : CLASSEMENT DES FONCTIONS ............................................................................................... 58

5.

SOLUTION OPTIMISEE : ............................................................................................................................. 59

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Chapitre I : Analyse fonctionnelle

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Chapitre I : Analyse Fonctionnelle des Produits Mécaniques. 1.

Définition

C'est le stade de l'étude du besoin au quel le produit doit répondre. Ce besoin est défini par le client ou le service Marketing sous forme d'un cahier des charges dit fonctionnel CDCF. Les fonctions et contraintes doivent être quantifiées, c'est à dire qu'on doit préciser pour chaque caractéristique la valeur nominale ainsi que les tolérances et le niveau de qualité acceptable. L'analyse fonctionnelle constitue le coeur même de l'analyse de la valeur. Selon la norme AFNOR l’analyse fonctionnelle est une "Démarche qui consiste à recenser, caractériser, ordonner, hiérarchiser et valoriser les fonctions. " C'est une démarche efficace pour le concepteur d'un produit. Elle applique au niveau du produit les questions posées au niveau des services: • Qui est le client direct? • Quel est son besoin? • Comment le satisfaire? L'analyse fonctionnelle s'applique à des produits nouveaux ou à des produits existants, en vue de leurs améliorations. Elle dématérialise (abstraction) le produit pour le traduire en terme de fonction.

2.

Les fonctions:

Selon la norme AFNOR, Une fonction est « une action d'un produit ou de l'un de ses constituants exprimés exclusivement en terme de finalité ». Une fonction est formulée par un verbe à l'infinitif suivi d'un complément. L’expression d’une fonction fait abstraction de toute référence à des solutions. En effet, il s’agit d’exprimer le service rendu par le produit sans préciser comment ce dernier doit assurer le service considéré. Pour mieux distinguer les différentes catégories de fonction, on peut considérer deux type de classement : une classement selon la nature et un classement selon l’importance. 2.1. Classement en fonction de la nature du service 2.1.1.

La fonction de service

Répond au besoin exprimé par l'utilisateur. Par exemple: • Pour un stylo: « Laisser une trace ». • Pour un verre: « Contenir un liquide ». • Pour une lumière: « Eclairer une surface ». • Pour un moteur électrique: « Transformer l'énergie électrique en énergie mécanique ». 2.1.2.

La fonction technique.

N'est pas demandé explicitement par l'utilisateur, mais elle est nécessaire au concepteur pour assurer la fonction de service. Selon la norme AFNOR une fonction technique est : « Action interne au produit défini par le concepteur pour assurer les fonctions de service ».

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Exemple : •

•

La fonction de service d'une paire de lunettes correctives est « améliorer la vision ». Les fonctions telles que: « soutenir le verre », « s'appuyer sur les aspérités du visage », ne sont pas demandées par l'utilisateur. Ce sont des fonctions techniques. La fonction « refroidir un moteur thermique » est une fonction technique. Elle est interne au produit. L'automobiliste n'en exprime pas le besoin, mais le concepteur doit l'assurer pour satisfaire le besoin final de l'automobiliste.

Certaines fonctions techniques sont aussi classées en contraintes. Par exemple, les contraintes de construction. Elles traduisent la nécessité d'assurer le montage du mécanisme ou l'utilisation de composants imposés par l'état de la technique. 2.1.3.

La fonction d'estime

Elle est souvent reliée à un aspect esthétique ou à la présence d'un élément jugé valorisant. • Pour un stylo: « Posséder une plume en or ». • Pour un verre : « Avoir le reflet du cristal ». • Pour un véhicule automobile: « Donner une image sportive ». 2.2.

Classement en fonction de l'importance

Toutes les fonctions énoncées durant la phase de recherche n'ont pas un même degré d'importance vis à vis du besoin exprimé. Le classement a pour objectif d'établir une certaine hiérarchie entre les diverses fonctions. On établit un classement en trois grandes familles:

• • •

Les fonctions principales, Les fonctions secondaires, Les contraintes.

2.2.1.

La fonction principale

C'est la fonction pour laquelle le produit est conçu. Un produit peut posséder plusieurs fonctions principales: • Une paire de lunettes doit: « être en harmonie avec le visage », « être empochable », « résister aux rayures ». • Un moteur électrique doit: « fournir une puissance mécanique » et « être fiable ». • Une fonction d'estime constitue la fonction principale pour certains produits: o Posséder une voiture de luxe. o Donner une image dynamique. 2.2.2.

La fonction secondaire ou complémentaire:

On recense dans cette classe toutes les fonctions qui ne sont pas principales. Mais cette construction doit pouvoir offrir de nombreuses autres fonctions, nécessaires, mais classées comme secondaires par rapport à la fonction principale. La fonction principale d'un abri bus est d'abriter les passagers. Les usages doivent pouvoir: • Repérer aisément la ligne de bus; • Visualiser les bus qui arrivent (tout en étant abrités); • S'informer sur le service, etc.

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2.2.3.

Les fonctions temporaires

Les fonctions temporaires sont utilisées durant certaines phases de la vie d'un produit. Un produit est livré dans son emballage en état de fonctionnement. Le transport (routier, maritime, ferroviaire) ne doit pas altérer ses qualités. La fonction « emballage », bien que temporaire, elle répond à un besoin vital pour la qualité du produit. Une fonction protectrice peut être: • Technique : « résistance au choc, à l'humidité »; • D'estime : « étui à bijoux », « sachet pour un parfum ou un vêtement ».

3.

Les contraintes:

Selon la norme AFNOR une contrainte est une « limite à la liberté du concepteur - réalisateur du produit ». Elles sont imposées par : Une norme, un texte de loi, un brevet (propriété industrielle), l'indisponibilité d'un matériau, les délais impartis, etc.

4.

Méthodologies de recensement des fonctions d’un produit

Parmi les méthodes de recensement des fonctions on distingue : • La méthode intuitive qui consiste à se placer à la place de l'utilisateur du produit et à énoncer les fonctions à tracer les services rendus. • La méthode S.A.F.E. : Sequential Analysis of Function Estimation. • L'examen de l'environnement: Conditions imposées par l'environnement • L'examen d'un objet type: Il consiste à examiner un produit concurrent déjà existant. 4.1.

La méthode intuitive.

Il s’agit de se substituer à l’utilisateur (se mettre à sa place) et de prononcer les services attendus du produit à concevoir. Cette méthode basique peut servir pour la conception de produit de complexité très réduite. 4.2.

La méthode S.A.F.E : Sequential Analysis of Function Estimation.

Cette méthode est basée sur l’étude des séquences d’utilisation du produit ainsi que l’étude des cheminements des efforts et mouvement. Il est donc nécessaire d’avoir une idée, non seulement sur les modes d’utilisation du produit (séquences opératoires), mais aussi sur la structure fonctionnelle du produit pour permettre d’examiner les efforts et les mouvements. La méthode S.A.F.E. peut aussi être appliquée à la recherche des différentes fonctions assurées durant la vie du produit: fonctions temporaires de protection, fonction prévues pour le transport, fonctions prévues pour la maintenance du produit, etc. Lors de l’étude des séquences d’utilisation il est aussi recommandé de tenir compte des contraintes (normes, règlements d'hygiène, les textes de loi sur l'environnement, etc.). Certains utilisateurs peuvent posséder des normes de sécurité internes à l'entreprise (agroalimentaire, aéronautique). Pour mieux illustrer cette méthode nous considérons l’exemple suivant : Recherche des fonctions sur un bidon (figure ci-dessous).

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Exemple : Méthode SAFE 4.2.1.

Etude des séquences d'utilisation.

Elle consiste à exprimer les fonctions assurées à travers les diverses séquences d'utilisation du produit. Pour l’exemple considéré (cf. figure ci-dessus) : • L'utilisateur le pose sur un support: Il doit être stable. • Il faut donc qu'il soit prenable. • Le conteneur vide doit être léger. • Il ne doit pas glisser de la main. Il doit être adhérant. • Il doit être rempli avec un entonnoir. • Il doit contenir un liquide. • Son ouverture doit pouvoir verser. • L'utilisateur le bouche. Il doit être étanche. Au travers de ces étapes d’utilisation, 8 fonctions (stable, prenable, léger, adhérant, etc.) ont été identifiées. Il est aussi possible de considérer d’autres séquences d’utilisation (stockage, transport, etc.) qui peuvent générer d’autres fonction de ce produit. 4.2.2.

Etude du cheminement des efforts et des mouvements:

Cette technique consiste à exprimer les fonctions à partir des efforts exercés sur objet et des mouvements qu'il subit. Pour l’exemple traité, le bidon doit: • Résister à la pression localisée de la main; • Résister à la pression du liquide; • Résister sans fuite à chutes accidentelle: Résister au choc. • Le liquide contenu peut être corrosif. Le bidon doit être chimiquement neutre. Aucune particule ne doit se détacher du bidon et se mélanger au produit (défaut de surface interne). • Il doit pouvoir être stocké et transporté.

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4.3.

L'examen de l'environnement

Cette méthode consiste à étudier les interactions du produit avec son environnement. L’outil « pieuvre » ou « bête à corne » est le moyen privilégié pour dresser les diagrammes des interacteurs d’un produit. 4.3.1.

Exemple d’application : « Lève vitre électrique »

Sur l’exemple ci-dessous, on considère le produit « lève vitre électrique » utilisé sur la plus part des voitures actuelles pour faciliter la montée et la décente des carreaux de vitre. Le système de lève vitre a des multiples phases de vie. Le diagramme pieuvre représenté ci-dessous est relatif aux phases « a, b, c, d, e, f » illustrée par le tableau ci-dessous : 4.3.1.1. Phases d’utilisation du système « lève vitre électrique » a : Activité de la vitre 1 - Montée de la vitre 2 - Descente de la vitre 3 - Vitre à l’arrêt (pas de mouvement)

b : Position de la vitre 1 - En butée basse 2 - Entre butée basse et limite inférieure de la zone de détection 3 - Dans la zone de détection 4 - Entre la limite haute de la zone de détection et le joint de porte 5 - Entre le contact avec le joint de porte et la butée haute 6 - En butée haute c : Présence d’obstacle dans le champ d’action de la vitre d : Température 1 - Pas d’obstacle 1 - Température -40° 2 - Avec obstacle cylindrique de raideur 5N/mm 2 - Température comprise entre -40° et 0° 3 - Avec obstacle cylindrique de raideur 10N/mm 3 - Température comprise entre 0° et 90° 4 - Avec obstacle cylindrique de raideur 20N/mm 4 - Température 90° e : Environnement vibratoire du système f : Environnement 1 - Vibrations comprises entre 0 Hz et 20 Hz 1 - Sous ambiance poussiéreuse 2 - Vibration comprises entre 20 Hz et 120 Hz 2 - Sous brouillard salin 3 - Sous pluie, etc.

4.3.1.2. Diagramme pieuvre du système « lève vitre électrique »

Diagramme pieuvre : lève vitre électrique 4.3.1.3. Fonctions caractéristiques du système « lève vitre électrique » FS1 : Le LV permet au Client de manœuvrer et positionner la Vitre FS3 : Le LV doit s’adapter au calculateur multiplexé

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FS4 : Le LV doit respecter les normes et règlement en vigueur FS5 : Le LV doit s’adapter à l’environnement FS6 : Le LV doit résister aux obstacles FS7 : Le LV doit s’adapter aux spécifications de la batterie 4.4.

Examen d'un produit concurrent

Il est toujours intéressant d'effectuer l'étude des produits similaires existants sur le marché. Ils peuvent présenter des fonctionnalités particulières. Ils peuvent aider à déterminer certains critères utiles pour la définition du niveau de qualité. Cette technique de recensement des fonctions est très courante dans le milieu industriel. Il est permit de copier les fonctionnalités d’un produit, mais il n’est pas autorisé de copier les technologies permettant de réaliser ces fonctionnalités. En effet, les téléphones portatifs type GSM de nos jours intègrent quasiment les mêmes fonctionnalités (répertoire, camera, agenda, etc.) amis la technologie support de ces fonctionnalités diffère d’un constructeur à un autre. L’étude des produits de référence permet, d’une part, de recenser les fonctionnalités intéressantes (pour les utilisateurs) en vue de les supporter dans les produits à concevoir, et d’autre part, d’identifier les défaut des ces produits de référence en vue de les éviter.

5.

Caractérisation des fonctions

La caractérisation des fonctions et contraintes d’un produit consiste à spécifier les critères d’évaluation permettant d’évaluer la façon avec laquelle une fonction est remplie ou une contrainte est respectée. 5.1.

Les critères d’appréciation des fonctions

Selon la norme AFNOR un critère d’appréciation d’une fonction ou d’une contrainte est « le critère retenu pour apprécier la manière dont une fonction est remplie ou une contrainte respectée » A chaque fonction est assorti un ou plusieurs critères d’appréciation. Par exemple, la fonction technique « Guidage en rotation » peut être appréciée par les différents critères suivants : Vitesse de rotation, charges radiales, durée de vie, fiabilité, niveau acoustique, etc. 5.2.

Niveau du critère

A chaque critère correspond un niveau objectif à atteindre. Pour la fonction guider en rotation : Critère d’appréciation

Niveau

Vitesse

2000 t/mn

Faux rond sous 3000 N

0,005 mm

Raideur au droit de la charge

50000 daN/mm

Durée de vie

25000 Heures

fiabilité

0,97

Puissance dissipée

200 W

Niveau acoustique

45 dBA

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5.3.

Flexibilité

Chaque niveau de critère est assorti d'une flexibilité qui fixe la latitude du concepteur par rapport à l'objectif à atteindre. Cette notion constitue un élément fondamental pour le C.D.C.F. La flexibilité s'exprime sous trois formes: 5.3.1.

Limite d'acceptation:

C'est une limite supérieure ou inférieure, au-delà de laquelle la fonction n'est plus satisfaite. Elle est impérative et incontournable. Par exemple : Faux rond sous 3000 N : 0,005mm avec une limite d'acceptation de 0,008 mm. Toute mesure révélant un faux rond supérieur à 0,008 mm sous 3000N entraîne un non-respect du cahier des charges. 5.3.2.

Taux d'échange

C'est un rapport entre deux critères. Il relit souvent le niveau d'une fonction au coût à engager. Soit par exemple : Vitesse de pointe: 200 Km/h avec un taux d'échange de « 1 » Km/h pour « X » Dinars. Toute solution proposant une diminution de vitesse doit s'accompagner d'une diminution relative du coût. 5.3.3.

Classe de latitude

Elle définit le dégréé de négociabilité du critère. Par exemple : • 0Æ Le niveau de critère est impératif. • 1ÆLa flexibilité est très faible. Toute remise en cause doit apporter un gain considérable sur d'autres critères. • 2ÆLe niveau de critère peut être discuté au plan économique. • 3ÆBonne flexibilité. Le niveau du critère peut être modifié pour améliorer la compétitivité du produit. Exemple : Guidage en rotation : Critère de la fonction Vitesse

Niveau du critère 2000 t/mn

Limite d’Accept.

Faux rond sous 3000 N

0,005 mm

0,008 mm

Raideur au droit de la charge

50000 daN/mm

46000 daN/mm

Durée de vie 0,97

Puissance dissipée

200 W

Niveau acoustique

45 dBA

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0

25000 H

Fiabilité

Latitude

0

2 0 3 2

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6.

Exemple D'application: CDCF d'une vanne à commande pneumatique.

Exemple : Vanne à commande pneumatique

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CDCF : Vanne à commande pneumatique a- Adaptabilité Le corps de la vanne est universel. Il doit pouvoir s'adapter à tous les produits de la même famille: vanne à commande manuelle, vanne à commande électrique, vanne pour fluides corrosifs, etc.

b- Obturer sans manoeuvre extérieure L'obturation devra être automatiquement réalisée en l'absence de commande extérieure. Elle devra répondre aux critères énoncés: • Obturer les fluides suivants: fuel, essence, pétrole, huile minérale et synthétique. • La fourchette de température tolérée sera: 5°C à 80°C ces deux limites constituent des limites d'acceptation. • Pour une pression de 10 Bar. Ce niveau de pression constitue une limite d'acceptation. • Le temps de fermeture défini entre l'instant ou l'en cesse de fournir une énergie pneumatique et l'instant ou le débit de fuite est nul, sera de deux secondes. Cet objectif est assortit d'une classe de latitude de niveau 2. • Le débit de fuite durant la période d'obturation sera nul. Cet objectif est assortit d'une classe de latitude de niveau 0. • Ce débit nul devra être assuré pour un objectif temps correspondant à 5000 H d'utilisation pour une fréquence moyenne de manoeuvre de 10 obturations par heure. Cet objectif est assortit d'une classe de latitude de niveau 1.

c- Laisser passer Autoriser un débit de 0.25 Ils pour une veine fluide s'écoulant à une vitesse de 2m/s. Ce niveau constitue une limite d'acceptation. Les pertes de charge au passage de la vanne ne devront pas dépasser 0.5 Bar. Cette limite est une limite d'acceptation. Le temps d'ouverture définit entre l'instant ou l'en commande l'ouverture par pression d'air comprimé (débit de fuite est nul) et l'instant ou le débit est maximum sera de 1s. Cet objectif est assortit d'une classe de latitude de niveau 2.

d- Capter et évacuer Le produit pourra s'adapter sur des tuyauteries filetées conformément aux normes en vigueur.

e- Evacuer les déchets Un dispositif devra permettre d'évacuer des déchets qui s'accumulent contre la soupape.

f- Pouvoir démontrer On devra pouvoir effectuer un changement des pièces d'usure et des pièces assurant l'étanchéité dans le cadre d'une maintenance préventive.

g- Utiliser l'air comprimé. La commande de l'ouverture sera assurée par l'utilisation d'air comprimé sous une pression de 6 Bar. L'ouverture doit pouvoir être effectuée dans des conditions de temps moins sévères sous une pression de 3 Bar. Ce niveau constitue une limite d'acceptation. Le système traitant l'air comprimé devra pouvoir résister a une pression d'air de 16bar. Ce niveau constitue une limite d'acceptation.

h- Fiabilité : Le taux de défaillance sera égal: 1,6 .10-6/heure.

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7.

Méthode de classement des fonctions : Diagramme FAST

Le classement de fonctions d’un produit permet d'établir un graphe d'analyse fonctionnelle qui représente le produit à travers ses fonctions (représentation de la structure fonctionnelle). On peut également classer les fonctions techniques (internes au produit). Cela dépend de l'exploitation qui doit être faite de l'analyse. Soit l'exemple suivant: La vanne à commande pneumatique présentée ci dessous:

Une recherche des fonctions de service permet d'établir: Les fonctions principales: • •

Obturer sans manoeuvre extérieure, Laisser passer sous manoeuvre extérieure.

Les fonctions secondaires: • • •

Evacuer les déchets (Boues, gravillons), Capter le fluide, Evacuer le fluide.

Les contraintes: • • •

Pouvoir démonter pour changer un organe d'usure, Utiliser de l'aire comprimée, Respecter les standards de jonction normalisés.

Le produit, traduit en termes de fonctions, est représenté ainsi:

La méthode de FAST, mise au point par Charles W.Bytheway en 1964, permet d’établir un classement des fonction d’un produit et de générer ainsi un diagramme FAST. 7.1.

La Méthode FAST

Un diagramme FAST permet d’établir le lien entre le besoin fondamental et l’architecture d’un produit, en passant par les fonctions de service (extérieures au produit) et les fonctions techniques (internes au produit). Lorsque les fonctions de services sont identifiées, la méthode FAST les ordonne

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et les décompose suivant une logique fonctionnelle pour aboutir aux solutions techniques de réalisation. Cet outil d’analyse vise particulièrement l’analyse fonctionnelle d’un produit existant. Les fonctions connues sont écrites dans des rectangles ou boîtes ("vignettes rectangulaires FAST"). La méthode FAST « Function Analysis System Technique » permet de hiérarchiser les fonctions en

.

répondant aux questions « Pourquoi ?», « Comment ?» et « Quand ?»

Les réponses aux questions « Pourquoi ?» permettent de regrouper les fonctions principales. Les réponses aux questions « Comment ?» permettent de regrouper les fonctions qui doivent être réalisées simultanément. Cette question relie les fonctions qui se situent à un même niveau de service. Les réponses aux questions « Quand ?» permettent de regrouper les fonctions secondaires. La méthode FAST permet lorsque les fonctions de service sont identifiées de les ordonner et obtenir une décomposition en fonctions techniques (FT) pour aboutir aux solutions technologiques. Elle s’appuie sur la technique interrogative suivante : Quand cette fonction doit-elle être assurée ?

Quand ?

Pourquoi ? Pourquoi doit-elle être assurée ?

FONCTION

Comment ? Comment doit-elle être assurée ?

Remarque : Cet outil d’analyse fonctionnelle s’adapte particulièrement l’analyse d’un produit existant. On construit ainsi le F.A.S.T (Function Analysis System Technique) relatif au moulinet : 7.2.

Recherche des Fonctions de services.

L’outil “diagramme pieuvre” est utilisé pour analyser les besoins et identifier les fonctions de service d’un produit. En analysant le produit, on peut déduire le diagramme “pieuvre”, graphique circulaire qui met en évidence les relations entre les différents éléments de l’environnement du produit et le produit. Ces différentes relations sont appelées les fonctions de services qui conduisent à la satisfaction du besoin : pêcher.

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Parmi les fonctions retenues, on distingue deux types de fonctions de service : les fonctions principales (FP : liaison entre deux éléments extérieurs par l’intermédiaire du moulinet) et les fonctions contraintes (FC : liaison entre un élément extérieur et le moulinet) : • FP1 : Permettre à l’utilisateur d’agir sur le fil. • FP2 : Ne pas gêner l’utilisateur dans le maniement de la canne.

7.3.

•

FC1 : Eviter la rupture du fil.

•

FC2 : Se fixer sur tout type de canne.

•

FC3 : S’adapter à l’utilisateur.

•

FC4 : Résister aux agressions du milieu extérieur.

•

FC5 : Respecter les normes en vigueur en terme de sécurité, de pollution et de dimensions de fil.

Valider les fonctions de service

Il s’agit de s’assurer du bien fondé et de la stabilité de chacune des fonctions de service en répondant aux questions suivantes : But ?, Raison ?, Disparition ? Nous allons présenter ici seulement deux exemples, le reste de la validation étant fourni en annexe. FP2 : But : Tenue de la canne possible et agréable Raison : Volume et masse importants gêneraient le maniement de la canne Disparition : Moulinet infiniment léger Î Fp1 validée FC3 : But : Utilisation universelle Raison : Manœuvrer, utiliser le moulinet sans effort Disparition : Système automatique Î Fc1 validée • Fonction FP1 :

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7.4.

Exemple d’application 2 : Diagramme FAST d’un aspirateur

Ce graphe représente le produit dématérialisé. Il sert de référence à l'établissement d’une étude de type analyse de la valeur.

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8.

Le cahier des charges fonctionnel

8.1.

Définition

Selon la norme AFNOR, le CDCF est un « Document par lequel le demandeur exprime son besoin en terme de fonction de service et de contraintes. Pour chacune d'elle sont définis des critères d'appréciation et leurs niveaux. Chacun de ces niveaux est assorti d'une flexibilité ». 8.2.

Rôle du CDCF

Le C.D.C.F. est une interface entre un demandeur et un fournisseur (ou concepteur). Il fixe les devoirs et les latitudes des divers partenaires industriels. Le demandeur y exprime son besoin en dématérialisant le produit sous forme de fonctions et contraintes. L’analyse fonctionnelle est l’outil privilégié pour élaborer des CDACF Le concepteur répond au cahier des charges en exerçant sa compétence dans le choix des solutions et des techniques. Le C.D.C.F. laisse à "l'homme de l'art" toutes les possibilités d'innovation. Le C.D.C.F. est un outil qui permet: • L'innovation. Il ne prescrit aucune solution, mais uniquement des fonctions à satisfaire; • La compétitivité. Il n'impose aucune caractéristique superflue et laisse au spécialiste le soin d'exercer sa compétence; • La concurrence. Le C.D.C.F. s'élabore dans un groupe de travail réunissant les spécialistes de divers services: Le groupe d'analyse fonctionnelle. Le C.D.C.F. s'exécute: • Au niveau d'un produit nouveau ou d'un projet: C'est un élément des contrats d'étude et de développement. Il est associé aux autres cahiers des charges. Il est parfois intégré dans le C.C.T.P. : Cahier des Clauses Techniques Particulières; • Au niveau d'un sous-ensemble; • Au niveau d'une fonction. .

Le C.D.C.F. peut se pratiquer vis à vis: • De clients externes à l'entreprise; • De clients internes ou clients directs (entre les différents services d'une même entreprise). Dans la partie suivante nous présentons quelques exemples d’illustration.

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9.

Exemple d’application I : levier de frein à main

Le cahier des charges proposé ici n'est pas celui de Renault qui est confidentiel. La ressource réalisée est une transposition de la problématique industrielle en un document qui permet une appropriation par l'enseignant. L'intitulé des fonctions, des critères ainsi que les valeurs forment un tout cohérent. Les valeurs sont principalement issues de l'analyse du système et de mesures. Les outils utilisés (diagramme pieuvre et bloc diagramme) pour réaliser l'analyse fonctionnelle du besoin et l'analyse fonctionnelle technique sont également utilisés dans l'industrie automobile. L'appropriation du support est donc proposée au travers de l'utilisation de ces outils industriels. 9.1.

Présentation du levier de frein à main

Afin de maintenir le véhicule en position prolongée à l’arrêt (moteur à l’arrêt ou tournant), l’utilisateur actionne le levier de commande du frein de stationnement. Sur les nouvelles Mégane, ce levier s’intègre parfaitement dans le poste de conduite et renforce le design général. Il a été dessiné pour ressembler à une commande d’avion.

Ce frein doit être directement actionné par le conducteur et ne pas nécessiter l’utilisation du moteur. Il a aussi une fonction de frein de secours. Ainsi, le levier de commande est actionné par l'utilisateur et vient par un système de transformation de mouvement et un câble actionner les freins arrières. Ce système purement mécanique doit garantir le maintien en position du véhicule et donc le maintien de l’effort de serrage. Un dispositif directement intégré dans le levier de commande permet de maintenir automatiquement la tension dans le câble. Ce dispositif peut être déverrouillé par le conducteur. 9.2.

Analyse Fonctionnelle du Besoin

Limite de l’étude : L’étude se limite au levier de commande composé de {levier, socle, poussoir, came, contacteur}. Le levier de commande se monte sur la caisse. Il est connecté à un câble qui va actionner les freins. L'ensemble {câble + frein} est appelé récepteur. Le récepteur et la caisse seront intégrés dans le même élément du milieu extérieur appelé "véhicule". Enoncé du besoin : Le levier permet au conducteur de maintenir immobile le véhicule en agissant sur les freins. Phase de vie: Utilisation du levier • Verrouillage automatique du frein de stationnement • Déverrouillage du frein de stationnement par le conducteur • Maintien en position du levier de commande

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9.2.1.

Diagramme pieuvre

FS1 Le levier permet au conducteur de maintenir immobile le véhicule en agissant sur les freins FS2 Le levier doit allumer le voyant lorsque la position est suffisante FS3 Le levier doit respecter les normes et réglementations FS4 Le levier doit résister à l’ambiance FS5 Le levier doit s'adapter à l’environnement FS6 Le levier doit satisfaire l'agrément du conducteur FS7 Le levier doit résister aux sollicitations du conducteur 9.2.2.

Caractérisation des éléments du milieu environnent

conducteur Qualification

Critère

Niveau

Limite

Effort vertical pour actionner le levier

effort en N (vertical ascendant au milieu de la poignée)

650 N 250 N

maxi mini

57dB

maxi

10dB

maxi

32N

mini

45 N

maxi

Bruit acceptable par le Bruit à 100 mm du levier conducteur Ecart entre 2 bandes de spectre Effort du pouce Capacité à actionner le Effort du pouce levier Course du pouce

6 mm 1cm2

Surface de contact

mini

Véhicule = { caisse + intérieur véhicule + câble + frein+ ...} Qualification

Critère

Niveau

masse

PTAC

1195 kg

taille du câble

Diamètre

4 mm

frein tambour

diamètre

240 mm (type DP240)

résistance du câble à la Effort rupture

Limite

3000N

mini

Voyant Qualification

Critère

Niveau

alimentation

Tension

12V

Limite

Ambiance Qualification

Critère

Niveau

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Limite

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graisse

viscosité

X

X min, X max

Acidité

Y

Y min, Y max

Nous ne disposons pas d'éléments nous permettant de donner les valeurs de ces critères Environnement Qualification volume balayé pour non interférence fixation au plancher 9.2.3.

Critère

Niveau

Limite

angle maxi

40°

maxi

Longueur

400 mm

maxi

angle repos

0°

nombre de fixations

4

mini

Caractérisation des FS :

FS1 : Le levier permet au conducteur de maintenir immobile le véhicule en agissant sur les freins Qualification

Critère

Niveau

Limite

couple (masse / inclinaison) limite de maintien

masse voiture

2000Kg chargée

maxi

inclinaison route

30%

maxi

réversibilité

effort appliqué par le récepteur sans que le levier ne bouge

200 N

maxi

nombre de cycles

nombre

100 000 pour 250 N sur la mini poignée (vertical ascendant au milieu de la poignée)

Effort maxi tension du câble

Effort sur le câble pour 370 N sur la poignée (vertical ascendant au milieu de la poignée)

1600 N

variation d'effort (vertical effort ascendant au milieu de la poignée)entre deux crans autour de la position d'immobilisation

30N 36N

mini maxi

loi de commande: relation équation droite. La relation est linéaire. entre la position angulaire voir courbe ci-dessous et l'effort à fournir sur le (effort vertical ascendant levier au milieu de la poignée) Rapport d'amplification

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2 3

mini maxi

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FS2 : Le levier doit allumer le voyant du tableau de bord Qualification

Critère

Niveau

Limite

durée de vie

nombre de cycles

100 000

mini

10°

mini

Limite

position angulaire de la Angle première dent efficace FS3 : Le levier doit respecter les normes et règlement en vigueur Qualification

Critère

Niveau

recyclabilité

plastique recyclable (thermoplastique)

100%

inflammabilité

plastique auto extinguible

100%

accessibilité du jeu entre levier et console mécanisme une fois monté

5mm (un doigt ne doit pas pouvoir passer)

maxi

Remarque: la console est la pièce centrale qui sert d'accoudoir. FS4 : Le levier doit résister à l’ambiance Qualification

Critère

Niveau

Limite

durée de vie

nombre d'années

10 ans

mini

tenue à la corrosion

% surface visible corrodée / surface totale 0

maxi

FS5 : Le levier doit s'adapter à l'environnement Qualification

Critère

Niveau

Limite

Nous ne disposons pas d'éléments nous permettant de donner les valeurs de ces critères

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FS6 : Le levier doit satisfaire l'agrément du conducteur Qualification

Critère

Niveau

Limite

Aspect

défaut de symétrie entre 1mm le levier et les deux passages dans la console

maxi

aucun frottement parasite

jeu entre console et levier 0.5

mini

Toucher

taille bavure

0.05 mm

maxi

plage température pour le respect des conditions d'aspect

Température

de -40° à 70°

FS7 : Le levier doit résister aux sollicitations du conducteur Qualification

Critère

Niveau

Limite

déformation permanente admissible avec % déformation une sollicitation transversale de 300N permanente sur la poignée

0

maxi

flèche verticale au milieu de la poignée pour un effort de 30 N

5mm

maxi

0

maxi

Flèche

déformation permanente admissible avec % déformation une sollicitation verticale en utilisation permanente de 390N sur la poignée Protection du contacteur contre les agressions de l'utilisateur

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espacement entre le 5mm mécanisme et la console qui protège le mécanisme

maxi

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10. Exemple d’application II : Capot de rampe d’une batterie Le produit étudié est un capot de rampe d'une batterie qui est un des éléments du couvercle de batterie. Le capot permet la mise en place des bouchons et leur enlèvement simultané lors des visites. De plus, il participe à l'étanchéité.

Les bouchons permettent l'obturation des orifices du couvercle tout en autorisant l'évacuation des gaz produits lors de la réaction chimique. Les autres composants de la batterie sont : • La cuve: compartimentée, elle permet de recevoir les éléments et l'électrolyte. Son embase permet la fixation sur le véhicule. • Le couvercle: thermosoudé sur la cuve, il assure l'étanchéité de l'ensemble. Il comporte deux inserts constituants les bornes + et -. Six orifices de section circulaire permettent l'introduction de l'électrolyte et les visites pour l'entretien. En utilisation, ces orifices sont obturés par des bouchons. • Une poignée: articulée sur le couvercle, elle facilite le transport de la batterie • Des caches bornes: ils contribuent à la sécurisation de la batterie et participent à l'esthétique de l'ensemble ainsi qu'ou repérage des différents modèles (couleurs différentes)

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10.1. Analyse fonctionnelle du capot de rampe

• • • • • • •

FP1

FP1: Permettre la mise en place simultanée des bouchons par l'utilisateur FP2: Permettre la dépose par soulèvement des bouchons par l'utilisateur FC1: Recevoir les bouchons par clipsage FC2: S'adapter aux formes et aux dimensions du couvercle FC3: Faciliter l'intervention de l'utilisateur lors du démontage FC4: S'intégrer à l'esthétique de l'ensemble FC5: Résister aux agents acides présents dans la batterie

Critères d'appréciation

Valeurs

-apui plan entre la face supérieure des bouchons et le capot -autopositionnement des bouchons dans leurs orifices de montage par une liaison glissière suivant l'axe x: - course limitée suivant x par butée. Décalage maxi bouchon/orifice - jeu fonctionnel suivant y - jeu fonctionnel suivant z - espacement entre les orifices - jeu latéral suivant z entre capot et couvercle

6 bouchons - plan mini 210 x 24

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e=3mm 0.15±0.15 0.75±0.15 38mm jeu mini =0.5 mm

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FP2

- Résistance des clips au cisaillement

- Résistance du capot à la flexion E=1.5 mm; L=12 mm; F=10N; résistance au cisaillement 15 MPa; Coefficient de sécurité s=2 - Forme clipsage non démontable

effort utilisateur F=26N coefficient de sécurité de 2 angle de retenue 90°

FC1

- angle d'entrée favorisant le montage

FC2

-surface enveloppe du couvercle

-écart maxi entre les profils

angle d'entrée maxi 60°

1 mm

capot/couvercle FC3

- forme encoche permettant de décoller le

h x l =1.5 x 14 mm mini

capot du couvercle avec l'ongle ou un outil FC4

- traces d'injection sur les faces visibles

aucune

capot monté -présence d'un positionneur longitudinal

débordement maxi 1mm

calant le capot au montage pour éviter le débordement FC5

Matière choisie résistant aux acides

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PP Stamylan

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10.2. Résistance des crochets au cisaillement Les clips sont modélisés par des poutres encastrées cisaillées à la base.

E=1.5 mm; L=12 mm; F=10N; résistance au cisaillement 15 MPa; Coefficient de sécurité s=2

La forme du clip permet de résister au cisaillement lors de la dépose 10.3. Résistance du capot à la flexion Hypothèses: Toutes les actions mécaniques sont situées dans le plan de symétrie (O,x,y). Le contact en B est considéré comme un appui simple. La force F représente l'action exercée par l'utilisateur. Le cas le plus défavorable correspond à l'action simultanée de quatre bouchons (action d'un bouchon = 10N) On considère que la section du capot est constante sur toute la longueur. Trois sections différentes sont testées.

Le calcul nous donne σS1=44Mpa; σS2=25.3Mpa; σS3=19.59Mpa La limite à la flexion du matériau

est σmaxi=40Mpa D'après le cahier des charges, un coefficient de sécurité de 2 est demandé. La section S3 vérifie la condition:

C'est donc la section S3 qui est retenue.

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Remarque: L'usage des outils classiques de la résistance des matériaux est commun dans le dimensionnement de pièces plastiques. Rappelons que les lois utilisées en RdM sont pour des matériaux ayant un comportement élastique (loi de Hooke). Les matériaux plastiques ont eux un comportement plutôt de type viscoplastique. Il y a donc un écart entre le résultat obtenu par le calcul et la réalité. Néanmoins les outils de résistance des matériaux sont utilisés depuis longtemps et le retour d'expérience a permis maîtriser les écarts. Ainsi, beaucoup de fabricants de matières proposent des abaques utilisant ces outils pour le dimensionnement. Aussi, il convient de prendre un coefficient de sécurité pour palier à ces écarts. Un coefficient de sécurité de 2 apparaît comme raisonnable. 10.4. Positionnement des butées de limitation de course de glissière Les bouchons sont en liaison glissière avec le capot de rampe pour permettre un auto positionnement. Néanmoins, la course de cette liaison glissière est limitée par l'écartement maxi entre l'axe d'un bouchon et l'axe de son orifice en vis à vis. Le calcul de la position des butées fait l'objet de deux chaînes de cotes. Equation sur les nominaux: e= cf1 - c - b1 - b2 => c f1= 1.5 + 38 +12 +12 = 63.5 Equation sur les IT (calcul arithmétique): ITe= ITcf1 + ITc + ITb1 + ITb2 => ITc f1= 3 - 0.2 - 0.05 - 0.05 = 2.7 d'où cf1 = 63.5±1.35

Equation sur les nominaux: e= c - b2 - cf2 - b1 => c f2= 38 -12 - 12 - 1.5 = 12.5 Equation sur les IT (calcul arithmétique): ITe= ITc + ITb2 + ITcf2 + ITb1 => ITc f2= 3 - 0.2 0.05 - 0.05 = 2.7 d'où cf2 = 12.5±1.35 10.5. Choix du seuil d'injection Afin de choisir la position du seuil d'injection, quatre positions différentes ont été testées. Il s'agit de choisir le meilleur compromis en tenant compte : • du cahier des charges

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• •

des caractéristiques matières (Température d'injection = 230°C et Contrainte de cisaillement maxi pour l'écoulement = 0.26 MPa) des données outillage: Moule à deux empreintes et décarottage automatique souhaité à l'ouverture de l'outillage

Remarque: • •

Position 1

- Si la contrainte de cisaillement maxi est dépassée, la matière est détériorée. - Si la température mini du front de matière est trop écartée de la température d'injection, la solidification se fera trop tôt et le remplissage sera mauvais

Avantages

Inconvénients

- Aspect respecté

- pression de remplissage élevée

- Seuil situé dans une zone de sollicitation

- Contrainte de cisaillement proche de la limite mais

faible.

acceptable

-Bonne orientation -Ecart thermique /T°inj acceptable (