Avant de plonger dans les détails captivants, prenons un moment pour vous présenter l'univers passionnant de l'Éco Motion Team. Chaque année, une cohorte d'étudiants-ingénieurs de l'école Polytech Nancy s'unit pour concevoir, développer et affiner un prototype dans le cadre d'une aventure hors du commun : le Shell Eco Marathon. Cette compétition, qui a vu le jour en 1939 aux États-Unis, vise à repousser les limites de l'efficacité énergétique en parcourant la plus grande distance possible avec une quantité prédéfinie de carburant, équivalant à un litre de carburant en termes d'énergie. Aujourd'hui, le Shell Eco Marathon rassemble plus de 150 équipes et 1500 étudiants venus de toute l'Europe, qui rivalisent d'ingéniosité sur la piste. Deux catégories passionnantes s'affrontent : les Prototypes, axés sur l'efficacité énergétique, et les UrbanConcepts, célébrant la création de modèles urbains et pragmatiques.

L'équipe en action : une coordination de compétences

La genèse du prototype est orchestrée par quatre pôles, chacun expert dans un domaine spécifique, formant ainsi la structure de l'Éco Motion Team :

• Le pôle mécanique : Chargé de concevoir, simuler et créer le châssis, l'essieu, la transmission et le système de freinage.
• Le pôle essai et stratégie : Œuvrant à la planification globale de la course et réalisant des essais pour évaluer les performances des différentes composantes.
• Le pôle informatique et électronique : se dédiant à l'alimentation du moteur et à l'électronique embarquée, intégrant capteurs et microcontrôleurs.

Vir’volt est le prototype actuel utilisé par l’Eco Motion Team pour concourir au Shell Eco Marathon. Lors de l’édition de 2019 se déroulant à Londres, notre prototype a été classé 14ème sur 37 dans sa catégorie prototype à énergie électrique. Sa performance a été de 469,6 km/kWh.

Objectif : l'évolution du train roulant

Leur mission consiste à concevoir un tout nouveau train roulant arrière qui conjugue fiabilité, efficacité énergétique et allégement. Intégré au châssis par le biais de l'essieu, ce train roulant arrière englobe les éléments en mouvement ainsi que le système de freinage. Sa fonction primordiale réside dans la transmission de la puissance du moteur aux roues via une roue dentée, tout en assurant la stabilité du véhicule. Dans cette optique, une attention minutieuse a été portée sur les composants du train roulant arrière. Ils ont concentré leurs efforts sur l'optimisation de l'agencement, dans le but de réduire au maximum les pertes dues aux frottements des roulements.

Réflexions et piste d’amélioration

Passons à l'examen du processus de montage des roulements. Ce processus demeure uniforme, que l'on considère le côté de la roue motrice ou celui de la roue non motorisée.
Pour procéder à ce montage, le roulement situé à gauche comporte quatre points d'arrêt. Sa bague intérieure est fixée à l'aide des entretoises jaune et orange. La bague extérieure est maintenue en place grâce à l'utilisation du bouchon interne et de l'entretoise bleue. En ce qui concerne le roulement à droite, il possède uniquement deux points d'arrêt qui immobilisent exclusivement sa bague intérieure, grâce à l'entretoise orange et au bouchon externe. En ce qui concerne les bouchons, ils sont filetés pour être vissés dans le moyeu.

Les roulements sélectionnés pour ce montage sont de type 6900-2RS (10x22x6 mm), provenant de la commande passée chez 123 Roulement. Dans un souci d'optimisation de notre montage, nous avons opté pour des roulements hybrides. Se distinguant des modèles traditionnels, les roulements hybrides diffèrent par la composition de leurs billes ; en effet, les roulements hybrides intègrent des billes en céramique, tandis que les modèles traditionnels sont équipés de billes en acier. Cette utilisation de la technologie hybride contribue à réduire considérablement les frottements, grâce à la réduction du poids, de l'inertie et des vibrations. Par conséquent, il en résulte une augmentation de la puissance transférée aux roues motrices et une diminution des pertes au niveau des autres éléments en rotation.

Cependant, ce montage de roulements présente quelques points problématiques qui pourraient potentiellement impacter les performances du prototype. En se basant sur ces observations, nous avons entrepris de trouver des pistes d'amélioration. Le premier point de défaut réside dans l'arrêt de la bague extérieure du roulement situé à gauche, un arrêt assuré par l'entretoise bleue, fixée à l'intérieur du moyeu. Il est souhaitable d'explorer des alternatives à cette solution, car il existe des incertitudes quant à la précision de sa mise en place.     

Nous cherchons à éviter tout risque de blocage, qui pourrait endommager la bague en la comprimant entre les éléments en rotation ou le logement. Un second défaut mérite attention, à savoir les points d'arrêt des bagues. Le roulement de gauche est fixé par quatre points d'arrêt, tandis que celui de droite est immobilisé uniquement au niveau de sa bague intérieure. Cependant, ce dernier supporte la charge et la déformation les plus importantes en raison de sa position. Par conséquent, cette configuration n'est pas optimale, en raison de la répartition des efforts. De plus, la décision de fixer uniquement les bagues intérieures du roulement de droite n'est pas la plus judicieuse, car il serait préférable de privilégier les points d'arrêt pour les bagues tournant par rapport à la charge. Dans notre cas, il s'agit des bagues extérieures.

Ci-dessus est représentée une vue en coupe légendée du nouveau montage de roulement mis en œuvre.

Dans la réalisation de ce nouveau montage, une contrainte majeure s'est imposée : maintenir les dimensions externes des moyeux, afin de conserver l'utilisation des jantes existantes et de garantir que l'emplacement du disque de frein reste inchangé pour éviter tout contact avec l'étrier de frein. En ce qui concerne le montage des roulements, les contraintes se sont avérées moins rigoureuses, ce qui a conduit à plusieurs ajustements. Parmi les changements significatifs, l'adoption d'une fusée à la place d'un arbre se distingue. Ce choix vise à renforcer la rigidité de l'ensemble. Cette transition vers l'utilisation d'une fusée de 15 mm de diamètre (au lieu de 10 mm pour l'arbre précédent) a nécessité l'élargissement de l'entrée du moyeu, suivie d'une réduction pour accommoder le diamètre réduit. Cette adaptation a été réalisée en introduisant des congés pour minimiser le risque de fissure due à l'élimination des arêtes vives. Avec cette mise en contexte, nous pouvons à présent évoquer les modifications apportées au montage.                                                                                                                                                                                                     

Le nombre d'arrêts des roulements a été revu : celui du côté gauche compte désormais deux arrêts au niveau des bagues extérieures, tandis que celui du côté droit en comporte désormais quatre. Cette décision a été prise en considérant la distribution des forces, en priorisant le soutien du roulement le plus proche du point où la charge axiale est appliquée sur l'arbre. Pour le roulement côté gauche, le capuchon vissé dans le moyeu a été maintenu pour assurer le premier arrêt de la bague extérieure. Le deuxième arrêt est réalisé par le moyeu, avec la création d'un épaulement directement usiné sur celui-ci. Pour le roulement côté droit, la solution du capuchon vissé dans la fusée pour arrêter un côté de la bague intérieure a été maintenue. Le deuxième arrêt de la bague est assuré par un épaulement sur la fusée. Enfin, en ce qui concerne les bagues extérieures, qui n'étaient pas fixées dans le montage précédent, une nouvelle approche a été adoptée. Cette fois-ci, des épaulements ont été usinés dans le moyeu, et un bouchon vissé a été ajouté à leur extrémité pour assurer leur fixation.

Ci-dessus, est modélisé l’ensemble du train roulant que nous avons conçu par conception assistée par ordinateur. Le train roulant après sa réalisation sera joint au châssis par quatre vis et les fixations (ici, représentées en vert). Ensuite, le support moteur sera installé sur l’essieu pour mettre en place le système motorisé comprenant les engrenages, la roue libre, le motoréducteur…

Pour conclure ce projet, il en ressort une nette amélioration du train roulant, catalysée par une série de modifications apportées à l'ensemble, avec un accent particulier sur les ajustements au montage des roulements. Par la suite, la démarche d'approvisionnement auprès de 123 Roulement a ouvert la voie à l'incorporation de roulements hybrides. Ces derniers ont joué un rôle crucial en améliorant de manière significative le bilan énergétique grâce à la réduction notable des frottements, apportant ainsi une contribution positive à l'ensemble du processus.

Nous remercions Loïc AMICI et Anthony GAUTHIER de nous avoir partagé leur histoire.